УСТРОЙСТВО ПОДВЕСКИ И ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ХВОСТОВИКА В СКВАЖИНЕ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ РАЗЪЕДИНЕНИЕМ ОТ ТРАНСПОРТНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 2022 года по МПК E21B33/13 

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для спуска, подвески и цементирования потайных колонн и хвостовиков.

Общеизвестно, что при цементировании хвостовиков возможно возникновение аварий ввиду отсутствия возможности отсоединения транспортной колонны от хвостовика, когда уже закачан цементный раствор, который через определенное время начинает затвердевать и после затвердевания не позволяет производить какие-либо работы, связанные с ликвидацией аварии в скважине. Такие аварии называют «железобетон в скважине». Невозможность разъединения транспортной колонны и хвостовика бывает по разным причинам: перекос левого резьбового соединения вследствие изгиба ствола скважины и заклинивание (соединения), отказ в работе разъединительного узла, недостаточный крутящий момент ротора буровой при отвороте по левому резьбовому соединению и др.

Известно устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине (патент RU2377391, МПК Е21В 33/14, опубл. 27.12.2009 г.), включающее полый корпус, перфорированный патрубок и хвостовик, соединенные между собой посредством муфт. Полый корпус соединен с разъединителем, который связан с транспортной колонной с установленной в ней продавочной пробкой. Разъединитель сверху оснащен стаканом, имеющим возможность герметичного взаимодействия с внутренними стенками полого корпуса, а снизу снабжен полым патрубком и телескопически установленным в него снизу полым штоком с отверстиями. Полый шток имеет возможность взаимодействия с обратным клапаном в рабочем положении. В верхней части полого корпуса установлены пакер и якорь.

Недостатком аналога является то, что указанное устройство для установки и герметизации хвостовика предполагает спуск и установку хвостовика в обсадной колонне без цементирования, а в случае необходимости цементирования хвостовика устройство не обеспечивает качественного проведения работ из-за невозможности применения разделительных цементировочных пробок.

Известен узел заливочный для цементирования дополнительных колонн (патент RU174927, МПК Е21В 33/05, опубл. 15.11.2017 г.), позволяющий производить механическое отсоединение верхней части узла заливочного от дополнительной колонны до начала цементирования с сохранением герметичности. Узел состоит из двух частей - нижней и верхней, содержит обратный клапан, заливочную и очистительную пробку, изготовленные из легкоразбуриваемых материалов. Нижняя часть присоединена к нижнему концу дополнительной колонны и включает в себя упор-башмак, в котором выполнены заливочные отверстия, и обратный клапан, соединенный с упором-башмаком патрубком. При этом разбуриваемые детали жестко закреплены относительно корпуса оборудования и защищены от проворота, что сокращает время разбуривания. Обратный клапан содержит фиксатор очистительной пробки, которая после фиксации, совместно с обратным клапаном, выполняет роль стоп-кольца. Верхняя часть узла заливочного в свою очередь состоит из наружной части, присоединенной посредством муфты к верхнему концу дополнительной колонны и содержащей полированную втулку с лево-правым переводником и адаптером, и внутренней части. Внутренняя часть включает в себя очистительную пробку с набором манжет и шевронов, фиксатором для фиксации в ней заливочной пробки и наконечником с замком, срезную муфту со срезными штифтами и ниппель с уплотнительными элементами, присоединенный посредством муфты и патрубка к ответному лево-правому переводнику, что позволяет производить механическое отсоединение верхней части узла заливочного от дополнительной колонны до начала цементирования с сохранением герметичности и снижает риск аварий при больших углах наклона скважин, когда затруднен отворот.

Недостатком аналога является то, что механическое отсоединение заливочного узла от колонны производится с упором башмака колонны на забой путем отворота внутренней части заливочного узла от наружной части. Данный прием цементирования колонны с разгрузкой веса колонны на забой является технологическим нарушением, так как отсутствует фиксация колонны от возможного перемещения, что отрицательно влияет на качество цементирования.

Известно устройство для спуска подвески и цементирования колонны хвостовика в скважине (патент RU2441140, МПК Е21В 43/10, опубл. 10.06.2011 г.), включающее узел разъединения подвески хвостовика, состоящий из разъединительного переводника с замковой резьбой под бурильные трубы и соединенный с направляющей воронкой якорно-пакерного узла, имеющего гидравлический привод, и во внутренней полости которого установлен полый шток с радиальными отверстиями, образующий с корпусом якорно-пакерного узла кольцевую полость. Разъединительный переводник оснащен левой соединительной (трапецеидальной) резьбой для соединения с направляющей воронкой, при этом якорный и пакерный узлы совмещены и состоят из профильной трубы, которая установлена между верхним и нижним концевыми переводниками, причем нижняя часть кольцевой полости устройства загерметизирована уплотнительными манжетами, а в ее верхней части установлен плунжер, зафиксированный срезными элементами и перекрывающий канал сообщения между гидрокамерой, сообщенной с внутренней полостью полого штока и внутренним пространством профильной трубы, при этом крепление верхнего конца полого штока выполнено шарнирно-подвижным посредством установки верхней подвесной муфты с полусферической поверхностью в ответную поверхность разъединительного переводника, а на противоположном конце полого штока установлен узел фиксации подвесной цементировочной пробки, включающий нижнюю муфту с закрепленной на ней посредством срезных винтов подвесной цементировочной пробкой, причем узел фиксации пробки входит во внутреннюю полость патрубка хвостовика, который с верхней стороны соединен с нижним концевым переводником, а с нижней - с хвостовиком. Принято за прототип.

Недостатком являются ограниченные функциональные возможности, что не позволяет предупредить возможные осложнения при цементировании хвостовика, например, при возникновении проблем с разъединением, когда цемент уже закачан в скважину, и существует опасность создания аварийной ситуации (затвердевание цемента и оставление его в колонне).

Технической проблемой, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей устройства с обеспечением безаварийного проведения работ при цементировании хвостовиков.

Технический результат - предварительное (до начала цементирования) отсоединение хвостовика от транспортной колонны без потери гидравлического сообщения с ним.

Проблема решается, а технический результат достигается устройством для спуска подвески и цементирования хвостовика в скважине, включающим узел разъединения подвески хвостовика, содержащий разъединительный переводник с замковой резьбой для соединения с транспортной колонной в верхней части и наружную левую трапецеидальную резьбу для соединения с корпусом устройства снизу, якорно-пакерный узел, состоящий из якоря и пакера, установленных в полом корпусе устройства, в котором также установлен полый шток с радиальными отверстиями, при этом якорно-пакерный узел и полый шток образуют между собой внутреннюю кольцевую полость устройства, с которой якорно-пакерный узел имеет гидравлический канал сообщения, кроме того, устройство содержит узел подвески цементировочной пробки, включающий подвесную цементировочную пробку, зафиксированную посредством срезных винтов в нижней части полого штока, нижний конец которого свободно подвешен, а верхний конец закреплен внутри разъединительного переводника, причем полый шток имеет гидравлический канал сообщения через радиальные отверстия с внутренней кольцевой полостью устройства, которая гидравлически изолирована сверху и снизу уплотнительными манжетами. В отличие от прототипа узел подвески цементировочной пробки дополнительно содержит посадочную втулку под шар, выполненную с наружными продольными выступами, сопряженными с ответными внутренними пазами подвесной цементировочной пробки, причем посадочная втулка и подвесная цементировочная пробка закреплены на муфте полого штока независимо друг от друга.

В частных случаях осуществления в нижней части колонны хвостовика установлена корзина-ловитель для посадочной втулки с шаром, а полый шток выполнен из насосно-компрессорной трубы (НКТ).

Технический результат достигается применением заявляемого устройства, которое позволяет исключить риски возникновения аварийной ситуации при цементировании и оставления цемента в скважине ввиду следующего.

После спуска хвостовика до плановой глубины предварительно (до начала цементирования) производится заякоривание подвески хвостовика в обсадной колонне, отсоединение транспортной колонны от хвостовика и приподъем транспортной колонны совместно с полым штоком примерно на 0,5-1,0 м (с сохранением гидравлического сообщения), после чего производится цементирование хвостовика. При этом форма колонны хвостовика остается относительно прямолинейной, а ее ось близка к оси скважины - тем самым обеспечивается необходимый зазор между стенкой скважины и хвостовика, что положительно сказывается на качестве цементирования скважины. Это обеспечивается благодаря предварительному, до начала цементирования подвешиванию колонны хвостовика на якоре и разъединению транспортной колонны от хвостовика.

Разъединение транспортной колонны (колонны бурильных труб) от хвостовика осуществляется заранее, до начала цементирования, посредством предварительной активации якоря путем сброса запорного шара внутрь бурильных труб (транспортной колонны), его посадки в посадочную втулку и создания избыточного внутреннего давления. После чего производится разгрузка транспортной колонны до величины собственного веса и разъединение транспортной колонны от подвески хвостовика. Наличие полого штока с уплотнительными манжетами дает возможность приподъема полого штока вверх (на 0,5-1 м) после разъединения транспортной колонны от подвески хвостовика, без выхода из зацепления с корпусом устройства, при этом сохраняя гидравлический канал сообщения между ними. Гидравлический канал сообщения является обязательным условием для проведения цементировочных работ, т.к. работы проводятся в условиях значительных гидравлических давлений (до 250 кгс/см²). Негерметичность канала сообщения приводит к нарушению процесса цементирования и авариям.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано заявляемое устройство:

Фиг. 1 - устройство в транспортном положении в скважине, общий вид (продольный разрез);

Фиг. 2 - узел подвески цементировочной пробки(продольный разрез в области срезных винтов посадочной втулки);

Фиг. 3 - узел подвески цементировочной пробки (поперечный разрез в области срезных винтов посадочной втулки);

Фиг. 4 - устройство после активации якоря и разъединения от транспортной колонны, общий вид (продольный разрез);

Фиг. 5 - узел подвески цементировочной пробки (продольный разрез в области срезных винтов подвесной пробки);

Фиг. 6 - узел подвески цементировочной пробки (поперечный разрез в области срезных винтов подвесной пробки);

Фиг. 7 - устройство после активации (якоря, пакера), общий вид, продольный разрез;

Фиг. 8 - вид якоря после активации (плашки якоря выдвинуты);

Фиг. 9 - вид пакера в активированном положении (уплотнительный элемент раскрыт);

Фиг. 10 - общий вид нижней части устройства в скважине после окончания цементирования.

На фигурах показано:

1 - бурильная труба;

2 - разъединительный переводник;

3 - направляющая воронка хвостовика;

4 - полый шток (насосно-компрессорная труба - НКТ);

5 - пакер заколонный;

6 - уплотнительный элемент пакера;

7 - верхняя уплотнительная манжета;

8 - поршень пакера;

9 - отверстие гидрокамеры пакера;

10 - внутренняя кольцевая полость устройства;

11 - якорь заколонный;

12 - плашки якоря;

13 - поршень якоря;

14 - срезные винты якоря;

15 - отверстие гидрокамеры якоря;

16 - радиальные отверстия полого штока;

17 - кожух узла подвески цементировочных пробок;

18 - нижняя уплотнительная манжета;

19 - посадочная втулка под шар;

20 - бросовый шар;

21 - пробка подвесная цементировочная;

22 - хвостовик;

23 - обсадная колонна;

24 - муфта полого штока;

25 - срезной винт посадочной втулки;

26 - срезной винт подвесной пробки;

27 - глухая цементировочная пробка;

28 - башмак хвостовика;

29 - отверстия цементировочные;

30 - обратный клапан хвостовика;

31 - корзина-ловитель;

32 - «стоп»-кольцо;

33 - цемент заколонный.

Предлагаемое устройство состоит из трех функциональных узлов (фиг. 1):

I - узел разъединения подвески хвостовика (от транспортной колонны);

II - узел якорно-пакерный;

III - узел подвески цементировочной пробки.

Узел разъединения подвески хвостовика предназначен для разъединения хвостовика от транспортной колонны, состоящей из бурильных труб 1. Узел состоит из разъединительного переводника 2, содержащего в верхней части замковую резьбу под бурильные трубы 1 и наружную левую трапецеидальную резьбу для соединения с направляющей воронкой 3 хвостовика в нижней части. Полый шток 4 может быть выполнен из трубы НКТ, установлен внутри устройства, содержащего пакер 5, якорь 11, и образует с ними кольцевую полость 10, изолированную посредством уплотнительных манжет верхней 7, и нижней 18, и имеет гидравлический канал сообщения с полостью устройства через радиальные отверстия 16. Верхний конец полого штока 4 герметично закреплен внутри разъединительного переводника 2, а нижний конец свободно подвешен и содержит элементы узла подвески цементировочной пробки - посадочную втулку 19 и подвесную цементировочную пробку 21, закрепленные на нем посредством срезных винтов.

Узел якорно-пакерный (для фиксации хвостовика и герметизации межтрубного пространства) состоит из пакера заколонного 5 для герметизации межтрубного пространства хвостовика 22 и обсадной колонны 23, и якоря 11 для фиксации колонны хвостовика 22 в обсадной колонне 23. Пакер 5 и якорь 11 имеют гидравлическое сообщение с полостью 10 устройства через отверстия 9 гидрокамеры пакера и отверстия 15 якоря, а якорь и пакер содержат цилиндрические поршни 8 и 13 соответственно, размещенные в кольцевой полости (гидрокамере) пакера 5 и якоря 11. Цилиндрические поршни 8 и 13 имеют конусное окончание для расклинивающего воздействия на уплотнительный элемент 6 пакера и плашки 12 якоря и их перемещения в радиальном направлении (выдвижения) при перемещении поршней 8 и 13 в процессе активации пакера 5 и якоря 11.

Узел подвески цементировочной пробки состоит из посадочной втулки 19 под бросовый шар 20 и подвесной цементировочной пробки 21. Посадочная втулка 19 и бросовый шар 20 предназначены для активации якоря 11, а подвесная цементировочная пробка 21 совместно с глухой пробкой 27 для разделения цементного раствора от буферной жидкости в процессе цементирования хвостовика 22 и активации пакера 5. Посадочная втулка 19 выполнена с наружными продольными выступами, а подвесная цементировочная пробка 21 - с ответными внутренними пазами, и они закреплены на муфте 24 полого штока 4 посредством срезных винтов 25, 26 (фиг. 2 и 5).

Устройство работает следующим образом.

Производят сборку компоновку низа колонны хвостовика 22 с технологической оснасткой в следующей последовательности: башмак 28 хвостовика, патрубок хвостовика с боковыми цементировочными отверстиями 29, обратный клапан 30, корзина-ловитель 31, «стоп»-кольцо 32, и спускают хвостовик 22 в скважину длиной, определенной планом работ. Далее, на последнюю трубу колонны хвостовика устанавливают заявляемое устройство подвески хвостовика, на которую наворачивают бурильную трубу 1 (фиг. 1) транспортной колонны, и продолжают спуск хвостовика 22 на бурильных трубах до проектной глубины с промежуточными промывками. По окончании спуска хвостовика 22 скважину промывают и фиксируют хвостовик 22 в обсадной колонне 23 путем активации якоря 11 (заякоривание). Для этого внутрь верхней трубы транспортной колонны бросают шар 20, который, падая, проходит через всю транспортную колонну, попадает в полый шток 4 устройства, садится в седло посадочной втулки 19 и перекрывает центральное промывочное отверстие узла подвески цементировочной пробки 21. Производится подача промывочной жидкости путем включения бурового насоса и создается избыточное внутритрубное давление (40-50 кгс/см2), которое через радиальные отверстия 16 полого штока 4, передается в кольцевую полость 10 устройства и через рабочее отверстие 15 в гидрокамеру якоря. При этом гидравлическое давление воздействует на торцевую поверхность поршня 13 якоря 11 и создает динамическое давление, необходимое для среза винтов 14, фиксирующих поршень 13, и приводит к его продольному перемещению в направлении плашек 12 якоря. При этом конусная поверхность поршня 13 оказывает на плашки 12 якоря расклинивающее воздействие, и последние, имеющие сопряженные поверхности с конусом поршня 13, выдвигаются в радиальном направлении и внедряются зубьями в тело обсадной колонны 23, заклинивая корпус устройства, а вместе с ним подвеску хвостовика 22.

Далее, путем создания превышения избыточного давления (свыше 50 кгс/см²), производится срез винтов 25, фиксирующих посадочную втулку 19 с шаром 20. Последние, под действием собственного веса, падают в нижнюю часть хвостовика 22 и попадают в корзину-ловитель 31, установленную между башмаком 28 и «стоп»-кольцом 32, при этом не перекрывая центрального прохода.

Далее производится проверка надежности фиксации хвостовика путем разгрузки веса транспортной колонны на величину собственного веса и производится разъединение транспортной колонны от хвостовика 22 путем правого вращения колонны бурильных труб 1 и отворота по левому резьбовому соединению разъединительного переводника 2. Для подтверждения факта разъединения производится приподъем транспортной колонны на высоту 0,5-1,0 м, при этом вес на крюке буровой (по индикатору веса) должен соответствовать весу транспортной колонны.

Цементирование хвостовика. После закачки расчетного объема цементного раствора из цементировочной головки освобождается глухая цементировочная пробка 27 и производится продавка цементного раствора поверх нее. Глухая пробка 27, пройдя через всю транспортную колонну, входит в полый шток 4, садится в подвесную цементировочную пробку 21 и перекрывает центральное отверстие. В результате этого повышается внутритрубное давление, и при достижении определенной величины избыточного давления (ΔР-30кгс/см²) происходит срез винтов 26, фиксирующих подвесную пробку 21, и под действием давления закачки обе цементировочные пробки 21 и 27 совместно перемещаются вниз до «стоп»-кольца 32, где они перекрывают центральное проходное отверстие хвостовика. При этом отмечается резкое повышение внутритрубного давления («стоп»-сигнал), которое через радиальные отверстия 16 полого штока и отверстия 9 пакера передается на поршень 8 пакера, и происходит срез винтов, фиксирующих поршень пакера и его продольное перемещение в направлении уплотнительного элемента 6 пакера. Аналогично якорному узлу конусная поверхность поршня 8 оказывает на уплотнительный элемент 6 пакера расклинивающее воздействие, и последний, под действием динамических сил, раздвигается в радиальном направлении и плотно прижимается к внутренней поверхности обсадной колонны 23, тем самым гидравлически изолируя межтрубное пространство корпуса пакера 5 с обсадной колонной 23.

После окончания цементирования хвостовика 22 производят приподъем транспортной колонны с полым штоком 4 и закрепленными на нем уплотнительными манжетами 7 до выхода его из зацепления с корпусом подвески хвостовика и создают промывку для вымывания остатков цементного раствора. После промывки производится полный подъем и разборка внутренней (извлекаемой) части подвески хвостовика, в том числе: разъединительного переводника 2 с полым штоком 4 и уплотнительными манжетами 7. В скважине остается: направляющая воронка 3, корпус пакера 5 и якоря 11, при этом внутреннее проходное сечение соответствует внутреннему диаметру самой колонны хвостовика и позволяет проводить внутрискважинные работы.

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для спуска, подвески и цементирования потайных колонн и хвостовиков. Технический результат – предварительное, до начала цементирования, отсоединение хвостовика от транспортной колонны без потери гидравлического сообщения с ним. Устройство для спуска подвески и цементирования хвостовика в скважине включает узел разъединения подвески хвостовика, содержащий разъединительный переводник с замковой резьбой для соединения с транспортной колонной в верхней части и наружную левую трапецеидальную резьбу для соединения с корпусом устройства снизу, якорно-пакерный узел, состоящий из якоря и пакера, установленных в полом корпусе устройства, в котором также установлен полый шток с радиальными отверстиями. Якорно-пакерный узел и полый шток образуют между собой внутреннюю кольцевую полость устройства, с которой якорно-пакерный узел имеет гидравлический канал сообщения. Кроме того, устройство содержит узел подвески цементировочной пробки, включающий подвесную цементировочную пробку, зафиксированную посредством срезных винтов в нижней части полого штока, нижний конец которого свободно подвешен, а верхний конец закреплен внутри разъединительного переводника. Полый шток имеет гидравлический канал сообщения через радиальные отверстия с внутренней кольцевой полостью устройства, которая гидравлически изолирована сверху и снизу уплотнительными манжетами. Узел подвески цементировочной пробки дополнительно содержит посадочную втулку под шар, выполненную с наружными продольными выступами, сопряженными с ответными внутренними пазами подвесной цементировочной пробки. Посадочная втулка и подвесная цементировочная пробка закреплены на муфте полого штока независимо друг от друга. 10 ил.

Устройство для спуска подвески и цементирования хвостовика в скважине, включающее узел разъединения подвески хвостовика, содержащий разъединительный переводник с замковой резьбой для соединения с транспортной колонной в верхней части и наружную левую трапецеидальную резьбу для соединения с корпусом устройства снизу, якорно-пакерный узел, состоящий из якоря и пакера, установленных в полом корпусе устройства, в котором также установлен полый шток с радиальными отверстиями, при этом якорно-пакерный узел и полый шток образуют между собой внутреннюю кольцевую полость устройства, с которой якорно-пакерный узел имеет гидравлический канал сообщения, кроме того, устройство содержит узел подвески цементировочной пробки, включающий подвесную цементировочную пробку, зафиксированную посредством срезных винтов в нижней части полого штока, нижний конец которого свободно подвешен, а верхний конец закреплен внутри разъединительного переводника, причем полый шток имеет гидравлический канал сообщения через радиальные отверстия с внутренней кольцевой полостью устройства, которая гидравлически изолирована сверху и снизу уплотнительными манжетами, отличающееся тем, что узел подвески цементировочной пробки дополнительно содержит посадочную втулку под шар, выполненную с наружными продольными выступами, сопряженными с ответными внутренними пазами подвесной цементировочной пробки, причем посадочная втулка и подвесная цементировочная пробка закреплены на муфте полого штока независимо друг от друга.