МУФТА СТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ РАВНОПРОХОДНАЯ Российский патент 2003 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и используется при цементировании обсадных колонн.

При цементировании обсадных колонн наиболее часто используются муфты ступенчатого цементирования (МСЦ) со срезными штифтами (1, 2, 3, 4 и др.), срабатывание которых перед началом цементирования второй верхней ступени производится за счет срезания штифтов, расположенных между двумя цилиндрическими поверхностями. В срезных штифтах из-за неточности изготовления отверстий, в которых они размещены, и, особенно, из-за возможности наличия неконтролируемой величины фасок на сопрягаемых торцах этих отверстий напряжения среза частично могут заменяться напряжениями изгиба. В результате такой замены вида деформации разрушение штифтов может происходить при значительном разбросе возмущающих нагрузок, т.е. давлений срабатывания, что в свою очередь приводит к наблюдаемой на промыслах недостаточно высокой надежности работы МСЦ со срезными штифтами.

По этой же причине еще более низка надежность контролируемого среза штифтов, защемленных только одним концом, с помощью, например, продавочных пробок /5, 6 и др./.

Для повышения надежности контролируемого срабатывания МСЦ под ними в компоновке обсадной колонны используют дополнительные управляющие устройства /7 и др. /, бросают дополнительно в скважины шары /8/ или другие запорные устройства, осуществляют управление МСЦ путем натяжения обсадной колонны перед началом цементирования второй ступени /9/, спуская внутрь колонны различные управляющие или другие устройства на дополнительной колонне бурильных или насосно-компрессорных труб /10, 11, 12/. Однако во всех этих случаях или сохраняется недостаточно высокая надежность срабатывания МСЦ из-за наличия срезных штифтов, или усложняется процесс двухступенчатого цементирования обсадной колонны.

Надежность срабатывания увеличивается при замене штифтов другими запорными устройствами, размещаемыми при сохранении равнопроходного сечения обсадной колонны с МСЦ в приваренных к корпусу муфты, например, эксцентрично трубы большего диаметра или только сегментного кожуха /13/. Но в этом случае может затрудниться спуск обсадной колонны в скважину, что ограничивает возможность применения данного типа устройства, особенно в наклонных и искривленных вертикальных скважинах.

Наиболее близкой к предлагаемому устройству является МСЦ обсадной колонны /14/, содержащая полый корпус и подвижную втулку с перепускными каналами /циркуляционными отверстиями/, а также верхнюю и нижнюю разделительные пробки. Однако и в этом случае из-за наличия срезных штифтов снижается надежность срабатывания МСЦ, отсутствует возможность регулирования величины перепада давления, вызывающей срабатывание МСЦ, с контролем и корректировкой его непосредственно перед спуском в скважину с помощью, например, цементировочного агрегата.

Целью изобретения является: повышение надежности работы путем обеспечения возможности регулирования и контроля давления срабатывания МСЦ непосредственно перед спуском в скважину с помощью цементировочного агрегата, а также путем включения в конструкцию МСЦ вспомогательных /дублирующих/ запорных элементов.

Указанная цель достигается тем, что в равнопроходной МСЦ с верхней и нижней продавочными пробками, содержащей корпус с перепускными каналами, согласно изобретению внутри корпуса размещены двухступенчатый дифференциальный поршень, меньший диаметр которого расположен со стороны устья скважины, с радиальными перепускными отверстиями, замковое устройство и самоутапливающаяся в кольцевом пазе корпуса запорная кольцевая пружина дублирующего запорного узла, а замковое устройство выполнено в виде размещенных в радиальном отверстии корпуса цилиндра со штоком, подпружиненным сменными упругими элементами, причем головки цилиндра и выступающей из него части штока замкового устройства утоплены в ограниченной длины продольных несквозных пазах на наружной цилиндрической поверхности дифференциального поршня со стороны его меньшего диаметра. Кроме того, верхняя продавочная пробка дополнительно оснащена разбуриваемым хвостовиком с дополнительной разжимной самоутапливающейся кольцевой пружиной дублирующего запорного узла.

На фиг.1 представлен общий вид МСЦ в продольном разрезе, на фиг.2 - конструкция замкового устройства.

МСЦ содержит корпус 1 с перепускными радиальными каналами 2 и 3 различного поперечного сечения и с размещенным внутри него двухступенчатым дифференциальным поршнем 4, меньший диаметр которого, расположенный сверху, т. е. со стороны устья скважины, с радиальными отверстиями 5, замковым устройством и самоутапливаемой в кольцевой полости 6 корпуса запорной кольцевой пружиной 7 (дублирующий запорный узел), а также нижнюю 8 и верхнюю 9 продавочные пробки, причем верхняя пробка дополнительно оснащена разбуриваемым хвостовиком 10 с разжимной самоутапливаемой кольцевой пружиной 11, а замковое устройство выполнено в виде размещенного в радиальном отверстии корпуса 1 цилиндра 12 со штоком 13, подпружиненным сменными упругими элементами 14 в виде, например, тарельчатых пружин.

Корпус 1 снабжен на концах замковой резьбой для соединения с обсадной колонной 15, причем снизу - через переводник 16. На двухступенчатый дифференциальный поршень 4 насажены уплотнительные кольца круглого поперечного сечения меньшего 17 и большего 18 диаметров, а на цилиндр 12 и шток 13 соответственно кольца 19 и 20.

Шток 13 и цилиндр 12 со стороны оси корпуса снабжены головками 21 и 22, утопленными в несквозных продольных пазах соответственно 23 - меньшей длины и 24 - большей, выполненных на наружной цилиндрической поверхности дифференциального поршня 4 со стороны его меньшего диаметра.

Описанная конструкция устройства обеспечивает возможность исполнения его в равнопроходном с внутренним поперечным сечением обсадной колонны варианте исполнения и одновременно повышенную надежность раскрытия и перекрытия перепускных окон с наличием дублирующих запорных замковых узлов.

Работа МСЦ осуществляется следующим образом. Обсадная колонна с башмаком, оснащенным обратным клапаном, спускается в скважину. На поверхности, предварительно, замковое устройство подбором количества и жесткости заранее оттарированных пружин 14 настраивается на заданную величину срабатывания и МСЦ устанавливается в расчетном месте колонны, соответствующем местоположению ее, например, над поглощающим пластом. Одновременно с помощью цементировочного агрегата может быть осуществлен и контроль давлений, при которых МСЦ срабатывает. Производится спуск в скважину. От случайного раскрытия при спуске в результате, например, подачи жидкости в обсадную колонну, в случае ее прихвата, перепускных каналов 2 и 3 в корпусе 1 соответствующее перемещение дифференциального поршня 4 заблокировано штоком 13, затопленным в тупиковом конце продольного паза 23, и дополнительно запорной кольцевой пружиной 7.

После спуска в скважину прямой заливкой цементного раствора осуществляется первая стадия цементирования колонны. Перемещающаяся вслед за первой порцией цементного раствора до башмака обсадной колонны нижняя продавочная пробка 8 при прохождении через МСЦ перемещает предварительно сжатую запорную кольцевую пружину 7 вниз, которая, распрямляясь, самоутапливается в кольцевом пазе 6 корпуса 1, осуществляя этим процесс разблокирования продольного перемещения дифференциального поршня 4 дублирующим запорным узлом.

После завершения процесса первой стации цементирования в обсадной колонне закачкой промывочной жидкости создается расчетное избыточное давление. Упругие элементы 14 сжимаются, головка штока 13 выходит из паза 23 и дифференциальный поршень 4 за счет перепада давления на ступенях различного диаметра перемещается вверх - в направлении устья скважины до упора головки цилиндра 12 в тупиковый конец паза 24, обеспечивая сообщение внутренней полости колонны через отверстия 5 и каналы 2 и 3 в корпусе 1 с заколонным кольцевым пространством.

После окончания промывки в колонну подается вторая порция цементного раствора с продавочной пробкой 9 на конце. Раствор через отверстия 5 и каналы 2 и 3 проникает в кольцевое пространство и по нему поднимается до устья скважины. Пробка 9, дойдя до поршня 4, перемещает его вниз, перепускные каналы 2 и 3 МСЦ вновь перекрываются, а поскольку давление в заколонном пространстве от более тяжелого цементного раствора становится больше внутриколонного от продавочной жидкости, то головка штока 13 под действием пружин 14 возвращается в исходное положение, т.е. в паз 23, вновь запирая дифференциальный поршень 4 в положении, соответствующем транспортному, а разжимная самоутапливающаяся кольцевая пружина 11, попадая в кольцевой паз 6 корпуса 1, также разжимается но, находясь в этом пазу над кольцевой пружиной 7, обеспечивает дублирующую блокировку продольного перемещения дифференциального поршня 4, предупреждая этим возможное раскрытие перепускных каналов 2 и 3 МСЦ при случайном или технологически предусматриваемом повторном повышении давления внутри обсадной колонны, например, при опрессовке ее.

Таким образом исключается возможность преждевременного или неуправляемого срабатывания или несрабатывания МСЦ в процессе спуска обсадной колонны на различных стадиях цементирования и при последующей опрессовке ее. Наличие дублирующих запорных узлов и возможность регулирования давления срабатывания основного замкового устройства обеспечивают высокую надежность работы МСЦ в скважине.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Авторское свидетельство СССР 1375800, Е 21 В 33/14, 1986.

2. А.с. СССР 1778273, Е 21 В 33/14, 1990.

3. А.с. СССР 1629486, Е 21 В 33/14, 1987.

4. А.с. СССР 1379450, Е 21 В 33/14, 1986.

5. А.с. СССР 1618869, Е 21 В 33/14, 1988.

6. А.с. СССР 1765367, Е 21 В 33/14, 1986.

7. А.с. СССР 1461870, Е 21 В 33/14, 1987.

8. А.с. СССР 1760091, Е 21 В 33/14, 1989.

9. А.с. СССР 1788213, Е 21 В 33/14, 1990.

10. А.с. СССР 1618871, Е 21 В 33/14, 1988.

11. A.c. CCCP 1273507, Е 21 В 33/14, 1984.

12. А.с. СССР 1779742, Е 21 В 33/14, 1990.

13. А.с. СССР 1680952, Е 21 В 33/14, 1988.

14. А.с. СССР 1717793, Е 21 В 33/14, 1989.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и используется при цементировании обсадных колонн. Обеспечивает повышение надежности работы путем обеспечения возможности регулирования и контроля давления срабатывания муфты ступенчатого цементирования непосредственно перед спуском в скважину. Сущность изобретения: муфта с верхней и нижней продавочными пробками содержит корпус с перепускными каналами. Внутри корпуса размещены двухступенчатый дифференциальный поршень, запорное устройство и дублирующий запорный узел. Поршень выполнен с радиальными перепускными отверстиями и меньшим диаметром расположен со стороны устья скважины. Замковое устройство выполнено в виде размещенных в радиальном отверстии корпуса цилиндра со штоком, подпружиненным сменными упругими элементами. Дублирующий запорный узел выполнен в виде самоутапливающейся в кольцевом пазе корпуса запорной кольцевой пружины. Головка цилиндра и выступающая из него часть штока замкового устройства утоплены в ограниченной длины продольных несквозных пазах на наружной цилиндрической поверхности дифференциального поршня со стороны его меньшего диаметра. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Муфта ступенчатого цементирования равнопроходная с верхней и нижней продавочными пробками, содержащая корпус с перепускными каналами, отличающаяся тем, что внутри корпуса размещены двухступенчатый дифференциальный поршень, меньший диаметр которого расположен со стороны устья скважины, с радиальными перепускными отверстиями, замковое устройство и дублирующий запорный узел в виде самоутапливающейся в кольцевом пазе корпуса запорной кольцевой пружины, причем замковое устройство выполнено в виде размещенных в радиальном отверстии корпуса цилиндра со штоком, подпружиненным сменными упругими элементами, а головка цилиндра и выступающая из него часть штока замкового устройства утоплены в ограниченной длины продольных несквозных пазах на наружной цилиндрической поверхности дифференциального поршня, со стороны его меньшего диаметра. 2. Муфта ступенчатого цементирования по п.1, отличающаяся тем, что верхняя продавочная пробка оснащена разбуриваемым хвостовиком с дополнительной разжимной самоутапливающейся кольцевой пружиной дублирующего запорного узла.