УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ПЛАСТЫРЯ В НАКЛОННО-НАПРАВЛЕННЫХ И ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ УЧАСТКАХ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Российский патент 2018 года по МПК E21B29/10 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, преимущественно к устройствам для герметизации обсадных колонн и отключения пластов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известно устройство для герметизации обсадной колонны, раскрытое в описании к патенту RU №2236550 С1, кл. Е21В 29/10, опубл. 20.09.2004.

Известное устройство содержит пластырь в виде гладкого цилиндрического металлического патрубка, гидравлический посадочный инструмент, представляющий собой трехцилиндровый гидростатический привод, и расширяющую оправку, имеющую форму усеченного конуса; по концам пластыря в кольцевых цилиндрических канавках, выполненных в нем, размещены эластичные уплотнители, а гидравлический посадочный инструмент снабжен гидравлическим якорем.

К недостаткам этого устройства следует отнести большое количество сложных сопрягаемых прецизионных деталей гидроцилиндров, ведущих к удорожанию и снижению надежности всей конструкции, а также ограниченность хода поршней гидроцилиндров, которая влечет за собой невозможность герметизации значительных по протяженности повреждений обсадной колонны или нескольких участков негерметичности, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Кроме того, расширение ремонтного пластыря от исходного радиального размера до прижатия к стенкам эксплуатационной колонны при помощи протягивания конусообразной оправки, проводимое в один прием (по сути - холодная деформация металлической трубной заготовки), требует значительных осевых усилий, что влечет за собой дополнительные энергозатраты при ремонте скважины.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения (прототипом) является трехступенчатая дорнирующая головка, раскрытая в описании к патенту RU 2154148 С2, кл. Е21В 29/10, опубл. 20.08.2000.

Известное из наиболее близкого аналога устройство содержит основной конус-пуансон, плавающие сегменты, расположенные на самоуплотняющейся манжете, а также подпружиненные конусные плашки, установленные между конусом-пуансоном и плавающими сегментами с возможностью продольного перемещения в пазах "ласточкин хвост", выполненных на конической части основного корпуса. При этом конусная часть корпуса направлена вершиной вверх, т.е. по ходу дорнирующей головки в процессе расширения пластыря. При заходе дорнирующей головки в пластырь его предварительное расширение осуществляется конусом-пуансоном, затем промежуточное - конусными плашками за счет их осевого и периферийного смещения в пазах, и окончательное - плавающими сегментами под гидравлическим давлением в системе.

К недостаткам известного из наиболее близкого аналога устройства прежде всего следует отнести его назначение для работы с тонкостенными продольно-гофрированными пластырями, что резко ограничивает сферу его применения. Тонкостенные гофрированные пластыри могут обеспечить герметизацию дефектных участков эксплуатационной колонны только при небольших пластовых давлениях флюида в скважине. Для ремонта скважин с большими пластовыми давлениями, достигающими иногда 100 и более атмосфер, требуются более толстостенные гладкие трубчатые пластыри, желательно с прижатием металлического пластыря к стенке колонны посредством эластичных уплотнительных колец, которые устанавливаются (например, могут быть привулканизированы) на наружной цилиндрической поверхности пластыря. Только в этом случае достигается гарантированная отсечка дефектного участка эксплуатационной колонны. Кроме того, конструкция дорнирующей головки предполагает ее заход в пластырь с торца, а затем начало расширения, т.е. пластырь должен быть заякорен. Таким образом, в комплект оборудования дополнительно должна входить система якорения пластыря, что усложняет и удорожает процесс ремонта эксплуатационной колонны. Существенным недостатком предложенной конструкции является также то, что основное расширение пластыря и расправление продольных гофр производится конусом-пуансоном почти сразу в требуемый радиальный размер, а дальнейшие воздействия на стенки пластыря направлены лишь на дожимание и выглаживание неровностей, остающихся после расправления гофр. В итоге осевое усилие протягивания дорнирующей головки вдоль расширяемого пластыря снижается несущественно. Снижение осевого усилия протягивания расширяющей оправки особенно актуально при установке пластырей в наклонно-направленных и горизонтальных участках скважин, поскольку при доставке устройства к интервалу негерметичности таких участков, обычно при помощи гибких насосно-компрессорных труб, к усилию протягивания прибавляется сила трения последних о стенки обсадных и эксплуатационных колонн, что значительно увеличивает нагрузку на подъемный агрегат и повышает энергозатраты ремонтных работ. И, наконец, при доставке устройства в указанный интервал требуется наличие центратора или обтекателя.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задача заявляемого изобретения состоит в разработке устройства для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин, а также повышение надежности работы и расширения сферы применяемости устройства в целом.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства за счет применения расширяющей оправки в виде расположенных друг за другом управляемого конуса-трансформера и усеченного конуса, обеспечивающей снижение усилия для раздачи пластыря и, кроме того, расположенной внутри предварительно расширенного участка пластыря, герметично заглушенного разбуриваемым башмаком обтекаемой формы. Указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном устройстве с целью снижения осевого усилия, необходимого для радиальной деформации пластыря, управляемый конус-трансформер создает предварительное расширение, величина которого может бесступенчато изменяться в зависимости от механических характеристик металла пластыря, а также от толщины стенки последнего. Кроме того, устройство расположено в предварительно расширенном воронкообразном участке пластыря, причем усеченный конус выполняет роль поршня, перемещаемого нагнетаемой жидкостью. Вместе с тем, воронкообразный участок пластыря герметично заглушен разбуриваемым башмаком, в котором расположено седло для сбрасываемой с поверхности пробки. Помимо этого, башмак имеет обтекаемую форму.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

Фиг. 1 - схема доставки устройства к интервалу негерметичности эксплуатационной колонны в наклонно-направленном участке скважины:

1 - эксплуатационная колонна; 2 - пластырь; 3 - гибкая НКТ; 4 - эластичное уплотнительное кольцо; 5 - колтюбинговая установка.

Фиг. 2 - вид А на фиг. 1 в масштабе увеличения (гибкая НКТ (3) условно не показана):

6 - мандрель; 7 - усеченный конус; 8 - конус-трансформер; 9 - распорная втулка; 10 - седло посадочного устройства; 11 - сбрасываемая пробка; 12 - разбуриваемый башмак; 13 - обратный клапан; 14 - резьбовой переводник; 15 - блок грязесъемных манжет.

Фиг. 3 - вид Б на фиг. 2 в масштабе увеличения:

а) корпус конуса-трансформера приближен к основному конусу;

б) корпус конуса-трансформера отдален от основного конуса;

16 - корпус конуса-трансформера; 17 - сегмент конуса-трансформера; 18 - ограничительная втулка; 19 - стопорный винт.

Фиг. 4 - проекционные виды, в т.ч. изометрия, конуса-трансформера в масштабе увеличения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин содержит пластырь (2) в виде тонкостенной гладкой трубы с наружными эластичными уплотнительными кольцами (4) на концах (фиг. 1), и расширяющую оправку в виде конуса-трансформера (8) и расположенного вслед за ним усеченного конуса (7), надетых на пустотелую мандрель (6) (фиг. 2). Усеченный конус (7) надет на головную часть мандрели (6) и ограничен с одной стороны распорной втулкой (9), а с другой стороны контактирует с торцами сегментов (17) конуса-трансформера (8). Корпус конуса-трансформера (16) насажен на мандрель (6) с возможностью осевого перемещения по шлицам и упирается в торец втулки блока грязесъемных манжет (15), которая в свою очередь прижата к резьбовому переводнику (14). Последний при помощи резьбы связан с гибкой НКТ (3), которая служит средством доставки всего устройства в интервалу негерметичности горизонтального участка скважины. На конической поверхности корпуса (16) конуса-трансформера выполнены канавки типа «ласточкин хвост», в которых расположены конусообразные сегменты (17) с возможностью продольного перемещения (фиг. 3, 4). Пластырь (2) имеет предварительное воронкообразное расширение, герметично заглушенное разбуриваемым башмаком (12), имеющим обтекаемую форму и выполняющим роль центратора в горизонтальных участках скважины. В башмаке (12) расположено седло (9) сбрасываемой пробки (11) и обратный клапан (13) (фиг. 2).

Устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин работает следующим образом.

Устройство спускают в скважину на тяге, например, на гибкой НКТ (3) при помощи колтюбинговой установки (5), до тех пор, пока дефектный участок эксплуатационной колонны (1) не окажется в интервале между эластичными уплотнительными кольцами (4) пластыря (2). Затем сверху сбрасывают пробку (11) (фиг. 2), которая садится в седло посадочного устройства (10), и начинают нагнетание рабочей жидкости. Последняя проникает в полость «В» между стенками мандрели (6) и пластыря (2), вызывая осевое перемещение усеченного конуса (7), который выполняет роль поршня (фиг. 2). Начинается процесс расширения пластыря (2), при этом производится якорение системы за счет прижатия ближайших эластичных колец (4) к стенкам эксплуатационной колонны (1). Затем давление сбрасывается, НКТ вращают на некоторое количество оборотов, при этом резьбовой переводник (14) перемещается в осевом направлении и сдвигает блок грязесъемных манжет (15) и корпус (16) конуса-трансформера (8), который выдавливает конусообразные сегменты (17) к периферии, изменяя охватывающий диаметр с D₀ до D₁ (фиг. З). Затем давление жидкости возобновляется, одновременно колтюбинговая установка (5) начинает подъем гибкой НКТ (3), создавая дополнительное осевое усилие для расширения пластыря (2). При этом конус-трансформер (8) создает предварительное расширение пластыря (2), а усеченный конус (7) расширяет его окончательно (фиг. 3, а). При таком последовательном расширении металлического гладкостенного пластыря резко снижается потребное осевое усилие вследствие эффекта совмещения внеконтактных зон деформации при холодном расширении труб. Этот эффект заключается в том, что при холодной деформации трубы пуансоном в виде ряда усеченных конусов осевое усилие протягивания пуансона снижается в 1,5…2 (!) раза в сравнении с расширением трубы одним конусом до того же размера при прочих равных условиях за счет образования волны свободной деформации между соседними конусами (А.М. Розенберг, О.А. Розенберг "Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания" - Киев: Наукова думка, 1990 г., стр. 154-155; стр. 158-159).

Для достижения оптимального соотношения диаметров D₁ и D_max, при котором осевое усилие было бы минимальным, можно смещением корпуса (16) конуса-трансформера (8) изменять диаметр с D₁ до D₂ и наоборот (фиг. 3, 4).

По окончании работ пластырь (2) оказывается расширенным и плотно прижатым к стенкам эксплуатационной колонны (1), при этом уплотнительные эластичные кольца (4) отсекают зону негерметичности от полости скважины. После этого устройство поднимается из скважины, разбуривается башмак (12) и производится опрессовка скважины.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин, которое увеличивает надежность и эффективность работы. Устройство при этом имеет достаточно простую конструкцию, а технология работ с ним легко осуществима.

Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно, изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, преимущественно к устройствам для герметизации эксплуатационных колонн и отключения пластов. Устройство содержит пластырь в виде гладкого металлического патрубка, имеющего снаружи на концах эластичные уплотнительные кольца, и расширяющую оправку, выполненную в виде конуса-трансформера и расположенного вслед за ним усеченного конуса с неизменяемой геометрией. Конус-трансформер производит предварительную раздачу пластыря, а усеченный конус - окончательную, при этом снижается усилие расширения пластыря за счет эффекта совмещения внеконтактных зон деформации. Корпус конуса-трансформера расположен на мандрели с возможностью осевого перемещения относительно усеченного конуса. Для достижения максимального снижения осевого усилия конус-трансформер имеет возможность изменять геометрию в процессе работы устройства. Снижается усилие деформации пластыря, повышается надежность и эффективность работы устройства. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин, состоящее из гладкостенного металлического трубчатого пластыря с расположенными на наружной поверхности уплотнительными эластичными кольцами, гидравлического посадочного узла, полой трубчатой тяги (мандрели), соединенной при помощи резьбового переводника с подъемником, и расширяющей оправки в виде усеченного конуса и конуса-трансфомера, включающего зафиксированный на мандрели корпус, на конической поверхности которого выполнены продольные канавки типа «ласточкин хвост» с размещенными в них конусообразными сегментами, обладающими возможностью продольного перемещения, отличающееся тем, что с целью снижения осевого усилия, необходимого для деформации пластыря, корпус конуса-трансформера расположен на мандрели с возможностью осевого перемещения относительно усеченного конуса.

2. Устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин по п. 1, отличающееся тем, что корпус конуса-трансформера насажен на мандрель без возможности вращения вокруг продольной оси.

3. Устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин по п. 1, отличающееся тем, что гладкостенный металлический трубчатый пластырь имеет в нижней части предварительно расширенный воронкообразный участок, герметично заглушенный разбуриваемым башмаком.

4. Устройство для установки металлического пластыря в наклонно-направленных и горизонтальных участках нефтяных и газовых скважин по п. 1, отличающееся тем, что разбуриваемый башмак имеет обтекаемую форму.