УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВЕСКИ ПОТАЙНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2005 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к устройствам для оснащения эксплуатационных колонн старого фонда скважин потайными колоннами меньшего диаметра.

Известен разбуриваемый пакер (см. М. кл. Е 21 В 33/12. А.с. №1057676. Опубл. 30.11.83), включающий связанный с колонной труб переводник, имеющий шлицевой паз, уплотнительный элемент, кожух, разжимной конус, ствол со шпонкой и радиальными отверстиями для сообщения полости колонны труб с кольцевой полостью между кожухом, переводником и стволом, башмак, связанный резьбовым соединением со стволом и имеющий боковые отверстия для закачки тампонажной смеси, перекрытые изнутри стволом, а снаружи - обратным клапаном, и отверстие для промывки скважины с седлом под шар, башмак с дополнительными боковыми отверстиями, сообщающимися с отверстиями для промывки скважины, при этом обратный клапан установлен с возможностью перекрытия также и дополнительных отверстий.

Недостатками конструкции являются:

- Не показано, каким образом насечки, выполненные на цилиндрической поверхности разжимного конуса, предотвращают его обратное движение. Возможно необходимо исходить из того, что разжимной конус при посадке уплотнителя своими насечками вводится внутрь уплотнительного элемента, что является достаточным, по мнению авторов, для сохранения оптимальных контактных напряжений между уплотнителем и породой.

- После осуществления выкручивания переводника и ствола неясно, каким образом после передачи крутящего момента на переводник и ствол происходит выход из взаимодействия переводника с кожухом, т.к. из описания изобретения и чертежа неясно кинематическое взаимодействие кожуха с разжимным конусом и уплотнительным элементом.

- При нахождении шара на седле и при наличии давления в осевом канале устройства, которое воспринимается башмаком, происходит удлинение колонны труб, которое после сброса давления может привести к перемещению посаженного пакера вверх, с изменением характера взаимодействия уплотнительного элемента с породой, с соответствующим снижением надежности его работы.

- После удаления неразбуриваемой части устройства на поверхность возникает необходимость разбуривания пакера. Поскольку в устройстве отсутствует заякоривающее устройство или опора на забой, при разбуривании башмака и т.д. крутящий момент при взаимодействии воспринимается деформированным уплотнительным элементом, а значит, существует вероятность превышения крутящего момента над моментом, который существует при контакте уплотнительного элемента с породой, что может привести к вращению пакера и сделать процесс разбуривания неконтролируемым и длительным во времени.

Известен разбуриваемый клиновой пакер типа РП-175 (см. Зайцев Ю.В. Пакеры и технологические схемы их установок. - М.: ВНИИОЭНГ, 1969, с.60), включающий связанный с колонной труб переводник, уплотнительный элемент, кожух, конус, ствол с радиальными отверстиями для сообщения полости колонны труб с кольцевой полостью между кожухом, переводником и стволом, башмак, связанный резьбовым соединением со стволом и имеющий осевой канал с седлом под шар.

Недостатками такого устройства являются:

- Срезание штифтов башмака происходит мгновенно, при высоком давлении (80-90 кгс/см²) с возникновением гидравлического удара в подпакерной зоне, отрицательно влияющим на посаженный пакер.

- При вывинчивании ствола из корпуса возможны либо срезание резьбы, либо нарушение герметичности пакеровки.

- Следует отметить, что при нахождении шара на седле в башмаке и при наличии давления в осевом канале устройства, которое воспринимается башмаком в осевом сечении, происходит удлинение колонны труб, которое может привести к перемещению посаженного пакера вверх после сброса давления, с изменением характера взаимодействия уплотнительного элемента с породой и с соответствующим снижением надежности его работы, что очень сложно исключить и проконтролировать, и что может повлиять на надежность работы самого пакера.

- Аналогично описанному выше недостатку, после удаления неразбуриваемой части устройства на поверхность возникает необходимость разбуривания оставшейся части пакера. При разбуривании башмака и т.д. крутящий момент, сообщаемый фрезеру, воспринимается деформированным уплотнительным элементом, а значит, существует вероятность превышения крутящего момента над моментом, который существует при контакте уплотнителя с породой, что делает процесс разбуривания неконтролируемым из-за возможного вращения пакера и может быть длительным во времени.

Известен разбуриваемый пакер (см. М. кл. Е 21 В 33/12. А.с. №1025866. Опубл. 30.06.83), включающий связанный с колонной труб переводник, уплотнительный элемент, кожух, конус, ствол с радиальными отверстиями для сообщения полости колонны труб с кольцевой полостью между кожухом, переводником и стволом; башмак, связанный резьбовым соединением со стволом и имеющий осевой канал с седлом под шар. В башмаке выполнены боковые отверстия, в которых установлены обратные клапаны, а в осевом канале установлен горизонтально подпружиненный стопор под шар, причем ствол установлен с возможностью перекрытия боковых отверстий башмака и имеет шпонку, а переводник паз под нее.

Башмак снабжен штифтом, а стопор выполнен со с скосом для взаимодействия с шаром и пазом под штифт башмака.

Недостатками разбуриваемого пакера являются:

- Не показано, каким образом насечки, выполненные на цилиндрической поверхности разжимного конуса, предотвращают его обратное движение. Возможно, что разжимной конус при посадке уплотнителя своими насечками вводится внутрь уплотнительного элемента, что, видимо, является достаточным, по мнению авторов, для сохранения оптимальных контактных напряжений между уплотнительным элементом и породой и восприятия крутящего момента при разбуривании.

- После осуществления выкручивания переводника и ствола неясно, каким образом после передачи крутящего момента на переводник и ствол происходит выход из взаимодействия переводника с кожухом, т.к. из описания изобретения и чертежа неясно кинематическое взаимодействие кожуха с разжимным конусом и уплотнителем.

- Кроме того, при нахождении шара на седле и наличии давления в осевом канале устройства, которое воспринимается башмаком, происходит удлинение колонны труб, которое после сброса давления может привести к перемещению посаженного пакера вверх с изменением характера взаимодействия уплотнительного элемента с породой с соответствующим снижением надежности его работы, что очень сложно исключить и что может повлиять на эту ситуацию в процессе посадки пакера.

- Следует отметить, что при посадке шара в седло и замыкания его стопором существует некоторая свобода для вертикального перемещения шара, что приводит к потере герметичности шарового клапана при снятии внутритрубного давления, и наличия избыточного давления под пакером, вследствие чего может произойти попадание тампонажного раствора обратно во внутритрубное пространство и сбросу давления под уплотнительным элементом.

- После удаления неразбуриваемой части устройства на поверхность возникает необходимость разбуривания пакера. При разбуривании башмака и т.д. крутящий момент при взаимодействии воспринимается деформированным уплотнительным элементом, а значит, существует вероятность превышения крутящего момента над моментом, который существует при контакте уплотнителя с породой, что делает процесс разбуривания неконтролируемым и длительным во времени.

Известно устройство для подвески потайных обсадных колонн (см. а.с. №1716104. М. кл. Е 21 В 43/10, 33/14. Опубл. 29.02.92 г. Бюл. №8), состоящее из корпуса с размещенными на нем плашками для подвески и пакерующим элементом, раструб, связанный срезными элементами с корпусом и имеющим кольцевые проточки на внутренней поверхности, узел стопорения в виде стопорных колец, установленных с возможностью взаимодействия с ответными кольцевыми канавками в корпусе, расстояние между которыми кратно отношению шага кольцевых канавок корпуса к количеству стопорных колец.

Известно устройство для разобщения пластов в скважине (см. а.с. №1758207, М. кл. Е 21 В 33/12. Опубл. 30.08.92 г. Бюл. №32), включающее ствол с осевым каналом и радиальными отверстиями, кожух, образующий со стволом кольцевую полость, упор, уплотнительную манжету и разжимной конус в кольцевой полости между стволом и кожухом.

Механизм фиксации уплотнительной манжеты в деформированном состоянии выполнен в виде кольцевых проточек на цилиндрической поверхности разжимного конуса и пружинного фиксатора в кольцевой расточке кожуха, установленного с возможностью взаимодействия с кольцевыми проточками.

В качестве прототипа взято "Устройство для подвески и герметизации потайной обсадной колонны" (см. а.с. №1740630 М. кл. Е 21 В 33/14, 33/12. Опубл. 15.06.92 г. Бюл. №22), состоящее из корпуса с уплотнительными элементами и узлом подвески в виде кожуха с конической расточкой в верхней части, образующей с корпусом кольцевую полость, в которой расположен кольцевой поршень с клиновидными плашками, выполненными с наружной и внутренней коническими поверхностями. Конусообразная опорная втулка установлена под уплотнительным элементом связана с корпусом срезными элементами и выполнена с внутренними шпоночными пазами, в которые введены скользящие шпонки, жестко связанные с корпусом. Кожух и верхний переводник снабжены резьбой для соединения, соответственно, с потайной обсадной колонной и бурильной колонной труб.

Устройство работает следующим образом: к резьбовому концу кожуха подсоединяется потайная колонна труб, а к резьбе верхнего переводника - труба бурильной колонны. Вся компоновка опускается в скважину на заданную расчетную глубину.

В бурильные трубы закачивают расчетный объем тампонажного раствора, и подают за ним верхнюю разделительную пробку до посадки на упорное кольцо с получением сигнала "стоп", что служит командой для повышения давления в обсадной колонне.

Внутриколонное избыточное давление подается в кольцевую полость и воздействует на площадь кольцевого поршня, с его перемещением в сторону конусообразной опорной втулки, с перемещением в радиальном направлении клиновидных плашек до контакта со стенками предыдущей обсадной колонны:

Одновременно с этим колонну труб подают вниз и обеспечивают подвеску потайной колонны на клиновидных плашках. Под весом труб потайной обсадной колонны срезаются штифты и корпус вместе с ней перемещается вниз с разгрузкой и передачей части веса на уплотнительный элемент.

Сбрасывают давление, освобождают разъединитель от потайной колонны и осуществляют промывку. Затем осуществляют подъем бурильной колонны труб.

Недостатками конструкции устройства для подвески и герметизации потайной обсадной колонны являются:

- Диаметр осевого канала бурильной колонны труб отличается от диаметра осевого канала потайной колонны в меньшую сторону, что создает трудности при прокачивании тампонажного раствора в скважину через потайную колонну и пропуск разъединительной пробки до упорного кольца с перекрытием осевого канала труб потайной колонны.

- Необходимость освобождения осевого канала от разъединительной пробки и очистки ствола скважины в интервале перфорации, что требует проведения дополнительных работ по освоению скважины.

- Тампонажный раствор подается в межтрубное пространство при отсутствии его перекрытия уплотнительным элементом, что не позволяет создать избыточное давление для повышения качества цементного камня.

- Необходимость точного расчета хода корпуса относительно конусообразной опорной втулки, для сжатия-деформации уплотнительного элемента рассчетным усилием требует индивидуального подхода в каждом конкретном случае, что требует осуществлять разборку и сборку конструкции устройства с определением осевой нагрузки, которую необходимо сообщить уплотнительному элементу с настройкой на эту осевую нагрузку.

- При износе основной обсадной колонны, который возникает в старом фонде скважин, в результате воздействия различных факторов, то для посадки и фиксации устройства с использованием клиновидных плашек необходимо учитывать вес потайной обсадной колонны, поскольку может произойти разрушение первой обсадной колонны при взаимодействии конусообразной опорной втулки с клиновидными плашками и передачей осевой нагрузки на нее через клин.

Технический результат достигается с помощью предлагаемого устройства, спускаемого на колонне бурильных труб, которое снабжено полым штоком, имеющим шпонку, седлом с шаром, башмаком, якорем, связанным со стволом и снабженным стопорами и левым переводником, установленным с возможностью взаимодействия со стволом и кожухом, снабженным стопорными кольцами, причем ствол и левый переводник выполнены с кольцевыми проточками, башмак соединен с якорем и выполнен с продольными пазами, седло снабжено конусом и шлицами, входящими в продольные пазы башмака и установлено в осевом канале ствола с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия со стопорами.

В патентной и научно-технической литературе не обнаружено устройство для установки и цементирования потайной обсадной колонны без его опоры на забой, воспринимающим осевые нагрузки и крутящий момент при разбуривании.

Нами также не обнаружено седла с внутренней конической поверхностью, приводящее якорящий узел в действие, который выполнен в виде стопоров, расположенных в радиальных отверстиях в корпусе якоря, установленных с возможностью взаимодействия с конической поверхностью седла и торцами труб в муфтовом соединении, что предотвращает осевое смещение пакерующего элемента при его разбуривании.

Кроме того, нами не обнаружено кожуха, снабженного на торце вертикальными шлицами, а также башмака потайной колонны, снабженного продольными пазами на торце, которые выполнены с возможностью взаимодействия с вертикальными шлицами седла.

Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства, которые позволяют производить цементирование спущенной потайной колонны через отверстия между шлицами кожуха и башмака потайной колонны, а также разбуривание устройства для подвески потайной колонны, с исключением осевого и кругового перемещения последнего.

Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. соответствует критерию "изобретательский уровень".

Конструкция устройства для подвески потайной обсадной колонны поясняется чертежами, где:

- на фиг.1 представлена конструкция устройства в разрезе, в исходном положении;

- на фиг.2 - сброс шара и фиксация якорящего узла в стыке труб в муфтовом соединении;

- на фиг.3 - показано выкручивание полого штока вместе с левым переводником;

- на фиг.4 - деформация уплотнительного элемента с перекрытием кольцевого пространства;

- на фиг.5 - поднятие неразбуриваемой части устройства, включающего переводник, полый шток и левый переводник;

- на фиг.6 - вид снизу седла и башмака;

- на фиг.7 - спуск потайной обсадной колонны меньшего диаметра и разбуривание цементного моста, седла и башмака.

Заявляемое устройство состоит из полого штока 1, снабженного в верхней части переводником 2, с жестко закрепленной шпонкой 3 и стопорной гайкой 4, соединенной с полым штоком 1 посредством резьбы. Шпонка 3, закрепленная в полом штоке 1, расположена в вертикальной проточке 5, выполненной на левом переводнике 6, с внешними кольцевыми проточками 7, соединенный в нижней части со стволом 8 резьбовым соединением. Ствол 8 в верхней части снаружи имеет кольцевые проточки 9, через которые посредством разрезного стопорного кольца 10, размещенного в кольцевой проточке 11 на внутренней стороне кожуха 12 соединен с последним.

Кожух 12 на внутренней стороне имеет выступ, в котором выполнена кольцевая проточка 13 с разрезным стопорным кольцом 14.

В верхней торцевой части кожуха 12 выполнены вертикальные шлицы 15, которые входят во взаимодействие с противоположно направленными шлицами 16 башмака потайной колонны 17 (см. фиг.7).

Снаружи ствола 8 установлены экструзионные шайбы 18, между которыми установлен уплотнительный элемент 19, имеющий зазор с обсадной колонной 20 при спуске.

В нижней части устройства, посредством резьбы, к стволу 8 присоединен корпус якоря 21, имеющий радиальные отверстия 22 прямоугольной формы, в которые вставлены стопоры 23, имеющие на внутренней части скос, а в нижней части - продольную проточку 24 для взаимодействия с направляющими срезными штифтами 25.

Направляющие срезные штифты 25 вставлены в корпус якоря 21 через вертикальные отверстия 26, расположенные в его нижней части.

Корпус якоря 21 через резьбу соединен с башмаком 27, который выполнен таким образом, чтобы верхней частью перекрывать вертикальные отверстия 26 в нижней части корпуса якоря 21.

Внутри ствола 8 расположено седло 28, имеющее центральный осевой канал 29, перекрываемый шаром 30. Седло 28 выполнено с внешней стороны коническим, обращенным к внутренним скосам стопоров 23. Угол конуса аналогичен скосу на внутренней стороне стопоров 23.

Нижняя часть седла 28 выполнена в виде вертикальных шлицов 31, направленных вниз и входящих во взаимодействие с продольными пазами 32 на внутренней стороне башмака 27.

Для изоляции внутритрубного пространства от затрубного полый шток 1, ствол 8, седло 28 с внешней стороны и кожух 12 с внутренней стороны уплотнены уплотнительными кольцами 33.

Устройство работает следующим образом:

В скважину на заданную глубину спускается устройство, присоединенное к бурильной колонне через переводник 2 (фиг.1). При необходимости скважину промывают через центральный осевой канал 29 в седле 28 промывочной жидкостью.

Затем в трубы бросают шар 30, который потоком промывочной жидкости доставляется в устройство, садится в седло 28 и перекрывает центральный осевой канал 29. В бурильные трубы продолжают нагнетать промывочную жидкость. В результате давления, создаваемого в осевом канале ствола 8 устройства, седло 28 перемещается вниз в осевом направлении и своей конусной частью входит во взаимодействие со скосами стопоров 23. Последние срезают направляющие срезные штифты 25 и выдвигаются к стенке обсадной колонны 20 (фиг.2).

После этого начинают медленно поднимать устройство до тех пор, пока стопора 23 не войдут в ближайший вышерасположенный стык труб в муфтовом соединении обсадной колонны 20 большего диаметра. При этом седло 28 с вертикальными шлицами 31 скользит в продольных пазах 32 башмака 27 до упора конусной части седла 28 в башмак 27 устройства, перекрывая прямоугольные отверстия 22, что препятствует возврату стопоров 23 в исходное положение.

После срабатывания якорящего узла устройства правым вращением бурильной колонны через полый шток 1 со шпонкой 3, входящей во взаимодействие с левым переводником 6 через вертикальный продольный паз 5, выкручивают левый переводник 6 из ствола 8 и поднимают при помощи бурильной колонны на расчетную высоту, до ввода разрезного стопорного кольца 14 во взаимодействие с кольцевыми проточками 7 на левом переводнике 6 (фиг.З.).

Плавным спуском бурильной колонны осуществляют передачу осевого усилия через переводник 2 и полый шток 1 на верхний торец левого переводника б, который в свою очередь через кольцевые проточки 7 и разрезное стопорное кольцо 14, расположенное на внутренней верхней части кожуха 12 сообщает вес бурильной колонны на уплотнительный элемент 19. Последний деформируется, прижимается к стенке обсадной колонны 20 и изолирует надпакерную зону от подпакерной. В результате этого при движении кожуха 12 вниз, разрезное стопорное кольцо 10, размещенное в кольцевой проточке 11 на внутренней нижней стороне кожуха 12, взаимодействует с кольцевыми проточками 9 ствола 8 и входит в одну из кольцевых проточек 9. Этим самым разрезное стопорное кольцо 10 предотвращает возврат кожуха 12 в исходное положение и сохраняет уплотнительный элемент 19 в напряженном состоянии (фиг.4).

Переходник 2 вместе с полым штоком 1 и левым переводником 6 извлекается на поверхность, а в скважине остается разбуриваемая часть устройства (фиг.5).

После этого в скважину спускается потайная обсадная колонна меньшего диаметра, оборудованная башмаком 17, имеющий в нижней торцевой части шлицы 16, которые входят во взаимодействие с вертикальными шлицами 15 кожуха 12 (фиг.6).

При цементировании потайной обсадной колонны цементный раствор подается по потайной колонне и через отверстия, образованные между вертикальными шлицами 15 и шлицами 16, продавливается в кольцевое пространство между обсадной 20 и потайной колоннами.

После этого скважину оставляют в режиме ОЗЦ, после чего производится разбуривание цементного моста и разбуриваемой части устройства, включающего седло 28 и башмак 17 (фиг.7).

При разбуривании за счет взаимодействия вертикальных шлицов 15 кожуха 12 и шлицов 16 башмака 17 на потайной колонне происходит замыкание крутящего момента, что исключает проворачивание устройства относительно обсадной колонны 20.

Кроме того, при разбуривании от осевого перемещения дополнительно защищает якорящий узел, стопоры 23 которого входят в стык труб в муфтовом соединении.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности к устройствам для оснащения эксплуатационных колонн старого фонда скважин потайными колоннами меньшего диаметра. Обеспечивает повышение эффективности цементирования колонны и разбуривания устройства. Сущность изобретения: устройство содержит переводник для присоединения к бурильной колонне, кожух, ствол и уплотнительный элемент. Согласно изобретению оно снабжено полым штоком, имеющим шпонку, седлом под шар, башмаком, якорем, связанным со стволом и снабженным стопорами, левым переводником, установленным с возможностью взаимодействия со стволом и кожухом, снабженным стопорными кольцами. Ствол и левый переводник выполнены с кольцевыми проточками. Башмак соединен с якорем и выполнен с продольными пазами. Седло снабжено конусом и шлицами, входящими в продольные пазы башмака, и установлено в осевом канале ствола с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия со стопорами. 7 ил.

Устройство для подвески потайной колонны, содержащее переводник для присоединения к бурильной колонне, кожух, ствол и уплотнительный элемент, отличающееся тем, что оно снабжено полым штоком, имеющим шпонку, седлом под шар, башмаком, якорем, связанным со стволом и снабженным стопорами, левым переводником, установленным с возможностью взаимодействия со стволом и кожухом, снабженным стопорными кольцами, причем ствол и левый переводник выполнены с кольцевыми проточками, башмак соединен с якорем и выполнен с продольными пазами, седло снабжено конусом и шлицами, входящими в продольные пазы башмака, и установлено в осевом канале ствола с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия со стопорами.