Разъединитель эксплуатационной колонны Российский патент 2023 года по МПК E21B17/06 

Предлагаемое техническое решение на разъединитель эксплуатационной колонны (РЭК) относится к изделиям нефтяного машиностроения. Разъединитель эксплуатационной колонны может эффективно использоваться, как разъединитель секций эксплуатационных колонн (ЭК) и колонн-хвостовиков на заключительной стадии строительства скважин в условиях возникновения осложнений, вызванных прихватами при их спуске и цементировании.

Необходимость включения РЭК в состав эксплуатационной колонны обоснована тем, что в последнее годы изменены пространственные параметры стволов нефтяных и газовых скважин, а также их конструктивное исполнение; большинство скважин на нефть и газ заканчивают бурением их стволов с горизонтальным окончанием. В этих условиях спуск и продвижение ЭК в горизонтальной части ствола скважины до забоя сопряжено с появлением дополнительных нагрузок от сил трения, вызванных влиянием массы колонны труб, контактирующих с нижней образующей горизонтального участка ствола скважины. Потеря подвижности ЭК в процессе ее незавершенного спуска до проектной глубины, вызванная, чаще всего, осложняющими факторами горно-геологического характера, грозит, при отсутствии в ней работоспособного разъединителя, сложными аварийными работами и потерей ствола скважины, что приводит к увеличению непроизводительного времени и, в конечном счете, к удорожанию строительства скважины. Предлагаемый РЭК, при обоснованно выбранном специалистами участке его включения в состав спускаемой в скважину ЭК, позволит разъединить эксплуатационную колонну или хвостовик, в случае осложнений, вызванных прихватом, с минимальным потерями средств и времени.

Известны резьбовые разъединители для спуска и разъединения спускаемой несущей колонны труб, при использовании которых, вращением ротора размыкают спускаемую несущую колонну. При этом поддерживают постоянную нагрузку на крюке талевой системы буровой установки и толчками проворачивают несущую колонну вправо, с подсчетом числа оборотов и проверяют отсоединение по резьбе по величине холостого хода обратного вращения ротора [1]. Конструкция такого резьбового разъединителя сложна в эксплуатации и не обеспечивает достижения поставленной задачи. В связи с большими зенитными углами в скважинах для разъединения требуется неоднократное вращение бурильной колонны, так как с первого раза разъединение, как правило, не происходит, а если в скважину уже закачан цементный раствор, то возникает аварийная ситуация. Кроме этого, известен также штифтовый разъединитель, при помощи которого бурильные трубы отсоединяют от обсадных труб до их цементирования, после подвески обсадной колонны на клиньях при упоре на забой [1]. Разъединение проводят путем разгрузки колонны до момента среза штифтов разъединителя.

В отечественной промышленности выпускаются разъединители различных конструкций под шифрами ПМП, ПМПЦ, ПРК, РКЗ, РРС, PCX, УСЦОК, ЦРУ и др. Например, устройства типа ПМП предназначены для спуска и подвески хвостовиков; ПМПЦ предназначен для спуска, цементирования и подвески хвостовиков в нижней части эксплуатационной колонны; ПРК представляет собой подвеску-разъединитель с кулачками, для спуска и подвески потайных обсадных колонн; РК3-разъединитель кулачковый с гидравлическим затвором типа РКЗ; РРС - разъединитель резьбовой для спуска потайных колонн и обсадных колонн диаметром от 168 до 340 мм в сложных геологических условиях; PCX - разъединитель универсальный с трапецеидальной резьбой с крупным шагом; УСЦОК предназначен для стыковки и цементирования секций колонн при креплении глубоких скважин в осложненных условиях; ЦРУ - разъединитель оснащенный цангой, он рекомендован к использованию при креплении скважин хвостовиками при их малой массе.

Известны разъединители, выпускаемые, например, ООО «БИТТЕХНИКА», как инструмент для ликвидации аварий в скважинах [2]. Однако их применение, в качестве связующих элементов между трубами ЭК исключено, как и всех вышеперечисленных разъединителей, по технической причине, т.к. их внутренний диаметр не предусматривает транспортировку через них разделительных пробок, если планируется заканчивание скважины, с цементированием хвостовика.

При проведении патентных исследований известных технических решений, направленных на разъединение бурильных, обсадных и эксплуатационных колонн в скважине, выявлено достаточно большое количество объектов интеллектуальной собственности (изобретений и полезных моделей), которые рассмотрены в качестве аналогов, в частности: патент на изобретение РФ №2428557 «Разъединитель», опубл. 10.09.2011, бюл. №25; патент на изобретение РФ №2129650 «Разъединитель», опубл. 27.04.1999; патент на изобретение РФ №2278945 «Скважинный разъединитель», опубл. 27.06.2006, бюл. №18; патент на изобретение РФ №2425946 «Скважинный разъединитель», опубл. 10.08.2011, бюл. №22; патент на изобретение РФ №2439281 Скважинный разъединитель, опубл. 10.01.2012, бюл. №1; патент на изобретение РФ №2625124 «Разъединитель колонны», опубл. 11.07.2017, бюл. №20.

Недостатками приведенных выше технических решений является: сложность конструктивного исполнения, а также невозможность встраиваться (включаться) в отдельные секции эксплуатационных колонн или хвостовиков из-за ограниченного внутреннего проходного канала, исключающего возможность транспортировки технологических жидкостей, с разделительными пробками.

Наиболее близким, по технической сущности, выявлено техническое решение, принятое за прототип - разъединитель бурильной колонны (РБК), защищенный патентом на изобретение [3], который выполнен как пустотелый цилиндрический корпус, с внутренним проходом, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных между собой треугольной геликоидальной резьбой и выполненных в верхней и нижней частях присоединительных резьб, для соединения с колонной бурильных труб, при этом верхняя и нижняя части, соединены между собой цилиндрической геликоидальной резьбой, с крупным шагом резьбы треугольного профиля. При этом опорные поверхности геликоидальной резьбы выполнены под углом к главной оси вращения в пределах 10°…15°. Герметичность РБК обеспечена применением уплотнительных колец, установленных в верхней и нижней частях РБК. Разъединение верхней и нижней частей РБК обеспечивается только относительным вращением частей, в сторону, противоположную их свинчивания. Однако, несмотря на близкое сходство конструктивных элементов РБК с заявляемым устройством, его нельзя применять в эксплуатационных колоннах, поскольку разъединение РБК возможно только при принудительном вращении колонны труб. Это существенно ограничивает и даже исключает его применение в компоновке эксплуатационных колонн, поскольку для эксплуатационных колонн вращение их в скважине не допустимо.

Целью изобретения является создание работоспособного РЭК, с возможностью его встраивания в эксплуатационную колонну (хвостовик) и направленной на решения задачи, что, в случае потери подвижности эксплуатационной колонны в стволе скважины, вызванной ее непредвиденным прихватом (заклиниванием), разъединять колонну, на участке установки РЭК, будет возможно путем приложения осевой растягивающей нагрузки, обеспечивающей срыв конической геликоидальной резьбы в разъединителе с исключением необходимости передачи на эксплуатационную колонну крутящего момента (вращения).

Ожидаемый положительный технический результат предлагаемого решения проявляется:

- в возможности соединения с элементами труб ЭК, с использованием конгруэнтных резьбовых соединений, и обеспечения равного с трубами ЭК его внутреннего диаметра, для беспрепятственного прохода разделительных пробок;

- в возможности включения его в состав выделенных расчетным путем размерных секций ЭК и, как вариант, включения нескольких разъединителей;

- в возможности разъединения, в случае прихвата ЭК, созданием осевой растягивающей нагрузки на верхнюю часть ЭК, для извлечения верхней (свободной) части труб, и сохранения части пробуренного ствола скважины;

- в возможности в заводских условиях настраивать РЭК на заявленное осевое усилие срыва геликоидальной резьбы (Ус);

- в возможности выполнять работы по заканчиванию скважины, в т.ч. подвеску ЭК в промежуточной колонне, с использованием разделительных пробок, прокачку цементного раствора и буферной жидкости, а также отсоединение несущей колонны от спущенной ЭК, в условиях безупречного спуска ЭК (хвостовика) до проектной глубины.

Решение поставленной задачи достигается тем, что разъединитель (РЭК) выполнен в виде цилиндрического корпуса, с одноименными, как у эксплуатационной колонны, присоединительными резьбами на его концах и включает верхнюю (ниппельную) и нижнюю (муфтовую) части, которые соединены между собой геликоидальной резьбой, с конусностью (k), длиной резьбового участка геликоидальной резьбы (L), с крупным шагом (S) геликоидальной резьбы. При этом опорная поверхность геликоидальной резьбы треугольного профиля выполнена под углом (α), в пределах α=0°30'…1^о30', к осевой (О) линии резьбы, a противоположная грань профиля наклонена к плоскости поперечного сечения разъединителя, под углом (β), в пределах β=15°…45°, а рабочая высота профиля (h₂) геликоидальной резьбы выполнена из соотношения:

h₂=(Dн+Δ)⋅σт/(E⋅n)+S⋅k/2;

При этом конусность резьбовой геликоидальной поверхности (k) выполнена (с учетом рекомендаций ГОСТ 8593-81 по выбору нормальной конусности) в пределах от k=(1/20…1/50), а длина (L) резьбового участка геликоидальной резьбы выполнена с учетом зависимости L=Уc/((Dн-Δ)⋅π⋅Pоп⋅f⋅0,01); Кроме этого, выполненный нижний цилиндрический участок ниппеля оперт в подгонное кольцо высотой h₁, с возможностью корректировки (изменения) ее высоты в процессе выполнения тарировки разъединителя и его сборке, а внутренний проходной диаметр разъединителя выполнен соизмеримым с внутренним диаметром эксплуатационной колонны. На верхнем торце цилиндрического нижнего корпуса разъединителя выполнены, симметрично расположенные по наружному диаметру Dн, прямоугольные пазы (не менее двух), с установленными в них, после сборки и тарировки разъединителя, зубки-фиксаторы, которые неподвижно закреплены сварными швами к верхней части корпуса, с возможностью передачи крутящего момента от верхней (ниппельной) части корпуса к нижней (муфтовой) части.

Процесс расцепления (срыв резьбы) РЭК от осевой растягивающей нагрузки на ЭК, сопровождается с преодолением сил трения, возникающих на витках геликоидального резьбового соединения верхней и нижней частей. Значение усилия срыва резьбы зависит от начальной настройки РЭК, т.е. величины погружения при свинчивании ниппельной (верхней) части разъединителя в ответную муфтовую (нижнюю) часть. И чем глубже, при свинчивании, в процессе настройки, будет установлена ниппельная часть с резьбой в муфтовую часть, тем выше значение усилия срыва резьбы (Ус). Срыв геликоидальной резьбы РЭК, согласно изобретению, происходит без повреждения целостности его комплектующих деталей, а также профиля резьбы геликоидального резьбового соединения и может, при необходимости, повторяться многократно.

Разъединитель эксплуатационной колонны по настоящему техническому предложению показан на прилагаемых к описанию фигурах (фиг. 1-3).

На фиг. 1 приведена схема разъединителя эксплуатационной колонны в свинченном рабочем состоянии;

На фиг. 2 показан фрагмент геликоидального резьбового соединения разъединителя эксплуатационной колонны;

На фиг. 3 показано сечение РЭК на участке торцового соединения ниппельной и муфтовой частей.

Разъединитель эксплуатационной колонны (фиг. 1) выполнен в виде цилиндрического корпуса, с одноименными, как у эксплуатационной колонны, присоединительными резьбами на его концах и включает верхнюю 1 (ниппельную) и нижнюю 2 (муфтовую) его части, которые соединены между собой геликоидальной резьбой (фиг.2) с конусностью k=(1/20…1/50) и длиной (L) резьбового участка геликоидальной резьбы, принятой из соотношения L=Ус/((Dн-Δ)⋅π⋅Poп⋅f⋅0,01), с крупным шагом (S). На фиг. 2, для понимания, показан параметр (с), определяющий значение половины угла конусности между центральной осью вращения О и линией образующего конуса геликоидального резьбового соединения. Работоспособность РБК обеспечивается исполнением оптимальной длины резьбового участка геликоидальной резьбы (L), с крупным шагом (S) резьбы. На верхней части разъединителя 1, выполнена присоединительная трубная резьба 3 и ниппельный участок 4, который включает верхний цилиндрический участок 5, переходящий в наружную геликоидальную резьбу 6, и нижний цилиндрический участок 7. Верхняя часть разъединителя 1, с геликоидальной резьбой 7 на участке L, свинчена с ответной внутренней резьбой нижней (муфтовой) части разъединителя 2. Корпус нижней (муфтовой) части разъединителя 2, в нижней части, снабжен ниппельной частью 9, с трубной присоединительной резьбой 10, для соединения с резьбовым соединением ЭК. При этом внутренний диаметр (dвн) ниппельной части 9 выполнен равным внутреннему диаметру ЭК (на фиг. не показано). В кольцевом промежутке между торцом цилиндрической ниппельной части 11 и упорным торцом 12, во внутренней части корпуса 2, установлено подгонное кольцо 13, с возможностью подбора ее высоты h₁ при сборке и тарировке разъединителя. Во внутренней верхней и нижней частях корпуса разъединителя 2 выполнены кольцевые канавки 14, 15, которые снабжены уплотнительными кольцами 16, 17, с возможностью создания герметизирующей способности РЭК. На верхнем торце корпуса разъединителя 2 выполнены, симметрично расположенные по наружному диаметру Dн, прямоугольные пазы 18 (не менее двух), с установленными в них, после сборки и тарировки разъединителя, зубками-фиксаторами 19. Зубки-фиксаторы 19 соединены сварными швами 20, с упорным торцом 21 верхнего участка 1.

Пример конкретного исполнения разъединителя для эксплуатационной колонны 168×10,6-Л ГОСТ 632-80, с длиной нижней секции Lc - 500 м.

Исходные данные:

- толщина стенки труб ЭК Δ=10,6 мм;

- предел текучести (σ т) для материала «Л» разъединителя σт=66,80 кгс/мм²;

- масса (m) одного погонного метра труб m=40,1 кг/м;

- n=1,2 - коэффициент запаса прочности для разъединителя;

- давление (Роп) опрессовки ЭК, разрешенное ГОСТ 632-80 - 675 кгс/см²;

- конусность геликоидальной резьбы k=1/30=0,0333;

- шаг геликоидальной резьбы S - 24 мм;

Определим усилие (Ус) срыва резьбового соединения разъединителя для заводской настройки: Ус=n⋅Lc⋅m=2⋅500⋅40,1=40100 кгс=393,1 кН.

Рабочую высоту профиля (h₂) геликоидальной резьбы вычислим из соотношения: h₂=(Dh+Δ)⋅σт/(Е⋅n)+S⋅k/2S=(168+10,6)⋅66,80/(2,1⋅10⁴⋅1,2)+24⋅0,0333/2=0,873 мм.

Длину (L) резьбового участка геликоидальной резьбы определяется из условия

L=Уc/((DH-Δ)⋅π⋅Poп⋅f⋅0,01), мм;

где: f - 0,08 - коэффициент трения на резьбовом соединении;

L=40100/[(168-10,6)⋅3,14⋅675⋅0,08⋅0,01]=150,2 мм.

Внутренний диаметр разъединителя (Δв) принимаем равным, как у ЭК, т.е. 147 мм.

Разъединитель эксплуатационной колонны осуществляет свою работу следующим образом. После спуска в скважину комплекта нижней секции ЭК, например 500 м, в верхнюю муфтовую часть ЭК ввинчивают РЭК, настроенный на расчетное значение усилия срыва геликоидальной резьбы (Ус). Крутящий моментом свинчивания (Мкр) при соединении РЭК с трубами ЭК должен соответствовать моменту свинчивания труб ЭК. При отсутствии осложнений при спуске ЭК в скважину (посадки, затяжки, нефтегазопроявление), ее спускают на расчетную глубину и проводят, в дальнейшем, предусмотренные планом строительства скважины, заключительные работы: подвеска ЭК (хвостовика), закачка цементного раствора, промывка и др.). В случае же потери подвижности ЭК при спуске ее в ствол скважины и неудачных попытках членов буровой бригады ее восстановить, исполнители работ могут принять решение по разъединению ЭК по месту установки РЭК, например, в 500 м от башмака. В этом случае, к верхней части ЭК прикладывают растягивающую нагрузку, превышающую расчетное значение усилия срыва резьбы (Ус) РЭК. При этом, верхняя часть разъединителя 1, с ее ниппельным участком 4, преодолевая силы трения (на фиг. не показано) на контактах конической геликоидальной резьбы 6, вырывается в осевом направлении О из корпуса разъединителя 8 и тем самым разъединяют эксплуатационную колонну. Снижение нагрузки на талевую систему (контроль ведут по индикатору веса) буровой установки может служить основанием для принятия решения по подъему верхней части ЭК. После разъединения ЭК на участке размещения РБК ствол скважины промывают технологической жидкостью и свободную часть ЭК поднимают из скважины.

Принятые для реализации технические решения и указанные выше параметры РЭК позволяют авторам утверждать, что предлагаемый разъединитель обладает технологичностью изготовления, а при сборке, с тарировкой на стенде, обеспечивается настройка на усилие разъединения (Ус срыва) в осевом направлении (без вращения) в широком диапазоне требуемых разъединяющих нагрузок (30…80 тс). При этом допускается изменение высоты подгонного кольца 13. Причем, внутренний диаметр разъединителя (Δвн) соизмерим с внутренним диаметром ЭК и обеспечивает проход разделительных пробок, используемых в процессе цементирования.

Предложенные технические решения в РЭК, направленные на создание работоспособного РЭК, с возможностью его встраивания в эксплуатационную колонну (хвостовик) и позволяющими разъединять колонну путем приложения осевой растягивающей нагрузки для срыва конической геликоидальной резьбы в разъединителе без вращения, обладают новизной исполнения составных частей и необходимым уровнем их совершенства. Они находятся между собой в функционально-конструктивном единстве, с наличием признаков существенных отличий, что, в их совокупности, позволяет выполнять поставленную задачу, а детальная конструкторская проработка комплектующих узлов и деталей РЭК, свидетельствует об его изобретательском уровне, а также возможности освоения его производства и успешное применение в нефтегазовой промышленности.

Информационные источники:

1. Булатов А.И., Измайлов Л.Б. и др. «Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин». М. Недра, 1981.

2. Каталог продукции «Инструмент для ликвидации аварий в скважинах» ООО «БИТТЕХНИКА» 2018, Info@bittekhnika.ru.

3. Патент RU 2757481, МПК Е21 В 17/06, «Разъединитель бурильной колонны», Опубл. 18.10.2021 БИ№29.

Пояснения к чертежам и описанию заявки

1 - верхняя часть разъединителя;

2 - нижняя часть разъединителя;

3 - резьба трубная муфтовая;

4 - ниппельный участок верхней части разъединителя:

5 - цилиндрический участок верхней части разъединителя;

6 - конический участок верхней части разъединителя с геликоидальной резьбы;

7 - нижний цилиндрический участок верней части разъединителя;

8 - корпус разъединителя на участке внутренней геликоидальной конической резьбы;

9 - нижняя ниппельная часть корпуса разъединителя;

10 - резьба присоединительная трубная;

11 - торец цилиндрической ниппельной части;

12 - упорный торец внутренней части корпуса разъединителя;

13 - подгонное кольцо;

14 - кольцевая канавка верхняя;

15 - кольцевая канавка нижняя;

16 - уплотнительное кольцо вернее;

17 - уплотнительное кольцо нижнее;

18 - прямоугольный паз;

19 - зубок-фиксатор;

20 - сварной шов;

21- упорный торец верхнего участка разъединителя;

Dн - наружный диаметр разъединителя;

dвн - внутренний диаметр разъединителя;

О - ось вращения разъединителя;

L - длина резьбового участка геликоидальной резьбы;

h₁ - высота подгонного кольца;

h₂ - высота рабочего профиля геликоидальной резьбы;

k - значение конусности геликоидальной резьбы;

α - угол наклона опорной поверхности профиля геликоидальной резьбы, к оси вращения разъединителя;

β - угол наклона замыкающего профиля треугольной геликоидальной резьбы к плоскости, перпендикулярной оси вращения (О) разъединителя;

S - шаг геликоидальной резьбы;

Δ - толщина стенки используемых труб в эксплуатационной колонне, мм;

σт - предел текучести металла деталей разъединителя, кгс/мм²;

Е - модуль Юнга, для стали (2,1⋅10⁴) кгс/мм²;

n - 1,2 - коэффициент запаса прочности для деталей разъединителя;

Ус - усилие срыва резьбы.

Изобретение относится к изделиям нефтяного машиностроения и может эффективно использоваться как разъединитель секций эксплуатационных колонн и колонн-хвостовиков на заключительной стадии строительства скважин в условиях возникновения осложнений, вызванных прихватами при их спуске и цементировании. Разъединитель эксплуатационной колонны включает пустотелый корпус с внутренним проходом и с уплотнительными кольцами и присоединительными резьбами по его концам и состоит из верхней и нижней частей. Верхняя и нижняя части разъединителя соединены между собой геликоидальной резьбой. Опорная поверхность геликоидальной резьбы треугольного профиля выполнена под углом α, при этом α=0°30'-1°30' к осевой линии резьбы. Противоположная грань профиля наклонена к плоскости поперечного сечения разъединителя, под углом β, при этом β=15°-45°. Резьбовая геликоидальная поверхность выполнена с конусностью k=1/20-1/50. Нижний цилиндрический участок ниппеля оперт в подгонное кольцо высотой h₁ с возможностью подгонки ее высоты в процессе выполнения тарировки разъединителя и его сборке. Внутренний проходной диаметр разъединителя выполнен соизмеримым с внутренним диаметром эксплуатационной колонны. На верхнем торце цилиндрического нижнего корпуса разъединителя выполнены симметрично расположенные по наружному диаметру D_н прямоугольные пазы, не менее двух, с установленными в них после сборки и тарировки разъединителя конгруэнтными зубками-фиксаторами. Зубки-фиксаторы неподвижно закреплены сварными швами к упорному торцу верхнего участка разъединителя с возможностью передачи крутящего момента от верхней части корпуса к нижней части. Обеспечивается повышение эффективности работы разъединителя эксплуатационной колонны. 3 ил.

Разъединитель эксплуатационной колонны, включающий пустотелый корпус с внутренним проходом, состоящий из верхней и нижней частей, соединенных между собой геликоидальной резьбой, с уплотнительными кольцами и присоединительными резьбами по его концам, отличающийся тем, что геликоидальная резьба выполнена конусной, с крупным шагом и длиной резьбового участка геликоидальной резьбы, объединенными между собой математическими зависимостями, при этом опорная поверхность геликоидальной резьбы треугольного профиля выполнена под углом α, при этом α=0°30'-1°30', к осевой линии резьбы, а противоположная грань профиля наклонена к плоскости поперечного сечения разъединителя под углом β, при этом β=15°-45°, а рабочая высота профиля h₂ геликоидальной резьбы выполнена из соотношения:

h₂=(D_н+Δ)⋅σ_т/(E⋅n)+S⋅k/2,

где D_н - наружный диаметр разъединителя, мм;

Δ - толщина стенки используемых труб в эксплуатационной колонне, мм;

σ_т - предел текучести металла деталей разъединителя, кгс/мм²;

Е - модуль Юнга, для стали составляет 2,1⋅10⁴ кгс/мм²;

n - коэффициент запаса прочности для деталей разъединителя, равный 1,2;

S - шаг геликоидальной резьбы, мм;

а резьбовая геликоидальная поверхность выполнена с конусностью k=1/20-1/50, при этом длина L резьбового участка геликоидальной резьбы определяется из соотношения:

L=У_с/((D_н-Δ)⋅π⋅P_oп⋅f⋅0,01),

где У_с - усилие срыва резьбы, кгс или кН;

D_н - наружный диаметр разъединителя, мм;

Δ - толщина стенки используемых труб в эксплуатационной колонне, мм;

P_оп- давление опрессовки эксплуатационной колонны, равное 675 кгс/см²;

f - коэффициент трения на резьбовом соединении, равный 0,08;

а нижний цилиндрический участок ниппеля оперт в подгонное кольцо высотой h₁, с возможностью подгонки ее высоты в процессе выполнения тарировки разъединителя и его сборке, при этом внутренний проходной диаметр разъединителя выполнен соизмеримым с внутренним диаметром эксплуатационной колонны, на верхнем торце цилиндрического нижнего корпуса разъединителя выполнены симметрично расположенные по наружному диаметру D_н прямоугольные пазы, не менее двух, с установленными в них после сборки и тарировки разъединителя конгруэнтными зубками-фиксаторами, которые неподвижно закреплены сварными швами к упорному торцу верхнего участка разъединителя с возможностью передачи крутящего момента от верхней части корпуса к нижней части.