Устройство для спуска и цементирования хвостовика с вращением Российский патент 2023 года по МПК E21B33/14 E21B23/08 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам и устройствам для цементирования хвостовика в открытом и обсаженном стволе скважины.

Известен способ цементирования хвостовика в скважине и устройство для его осуществления, (патент РФ № 2595122, МПК Е21В 33/14, опубл. Бюл. № 23 от 20.08.2016 г.), содержащее установочную муфту для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, хвостовик, башмак с клапанным узлом, отверстие с разрушаемой под гидравлическим давлением диафрагмой, при этом муфта присоединена к корпусу отцепным устройством, внутри корпуса на срезаемых винтах установлена подвесная цементировочная пробка в виде блока эластичных конических манжет с сердечником с центральным проходным каналом и посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку и посадочным конусом, выполненным на нижнем упорном кольце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца, отличающееся тем, что отверстие с диафрагмой выполнено в корпусе ниже муфты, ниже которого в корпусе выполнено кольцевое сужение в зоне фиксации срезными винтами подвесной пробки, причем диаметр сужения на 2-6 мм меньше внутреннего диаметра хвостовика, сбрасываемая пробка выполнена в виде технологического шара с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора, при этом на верхнем торце корпуса хвостовика выполнены пазы под наружные выступы, выполненные на поверхности муфты, а отцепной механизм выполнен в виде шариков, вставленных в радиальные отверстия муфты и взаимодействующих снаружи с внутренней выборкой корпуса хвостовика, а изнутри подпертых седлом под бросовый шар, причем минимальный внутренний диаметр седла больше диаметра технологического шара, и седло снабжено выше радиальных отверстий наружной цилиндрической проточкой, зафиксировано срезными элементами в верхнем положении и выполнено с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных элементов до взаимодействия шариков с проточкой и выхода шариков из взаимодействия с кольцевой выборкой корпуса, при этом клапанный узел выполнен в виде втулки с верхним глухим осевым каналом, в котором размещено стоп-кольцо, и сообщенными с осевым каналом ниже стоп-кольца радиальными каналами, сообщающими пространство башмака над и под втулкой, причем втулка зафиксирована в башмаке срезными винтами в верхнем положении и выполнена с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных винтов с герметичным перекрытием полости башмака и фиксации замковым механизмом в нижнем положении, причем замковый механизм выполнен в виде пружинного кольца, вставленного в кольцевую выборку снаружи втулки и выполненного с возможностью взаимодействия с внутренней кольцевой выборкой внутри башмака в нижнем положении втулки.

Недостатками этого устройства являются:

- после спуска хвостовика и его цементирования отсутствует герметизация верхней части хвостовика в скважине из-за ухода цемента в зону поглощения и обнажения корпуса и верхней части хвостовика;

- сложность изготовления из-за большого количества сопрягаемых деталей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для спуска и цементирования хвостовика в скважине, (патент РФ № 2782908, МПК Е21В 33/14, опубл. 07.11.2022 г., Бюл. № 31), содержащее муфту для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, хвостовик, башмак с клапанным узлом. На срезных элементах установлена подвесная цементировочная пробка с центральным проходным каналом, посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку, посадочным конусом, выполненным на нижнем конце для посадки в седло стоп-кольца. На верхнем торце корпуса хвостовика выполнены пазы под наружные выступы, выполненные на поверхности муфты. Корпус выполнен в виде расширяемого патрубка, снабженного сужением в верхней части и герметизирующим элементом снаружи сужения, при этом муфта присоединена к корпусу при помощи отцепного узла, выполненного на муфте ниже наружных выступов и состоящего из проточки и расширяющего конуса, размещенных в корпусе таким образом, что при повышении давления в скважине выше давления «стоп» происходит выталкивание муфты из корпуса с одновременным расширением его расширяющим конусом. Муфта снизу в центральном канале снабжена проточкой, в которой на срезных элементах установлена подвесная цементировочная пробка, перекрывающая радиальные отверстия, сообщающие центральный канал муфты и цилиндрическую выборку муфты, размещенную внутри переводника, соединяющего корпус и хвостовик. Герметизирующий элемент снаружи сужения корпуса выполнен такой толщины, чтобы после расширения корпуса расширяющим конусом обеспечивалось сжатие герметизирующего элемента на 5-80% к стенкам скважины для герметизации устройства в скважине.

Недостатками это устройства являются:

- при отсутствии давления «стоп» из-за разрушения продавочной пробки или неплотной посадки продавочной пробки в седло клапана невозможность отстыковки муфты от патрубка отцепного устройства, как следствие создание аварийной ситуации;

- ограниченная длина хвостовика из-за низкого момента вращения при цементировании вследствие возможности среза пазов патрубка или выступов муфты из-за недостаточной толщины и прочности расширяемого патрубка.

Технической задачей изобретения является создание устройства для спуска и цементирования хвостовика с вращением, надежного в работе, позволяющего вращать хвостовик большой длины с необходимым крутящим моментом при цементировании в течении всего периода продавки цемента и гарантированно отстыковать устройство от бурильной колонны с обеспечением герметизации «головы» хвостовика в скважине.

Техническая задача решается устройством для устройством для спуска и цементирования хвостовика с вращением, содержащим муфту с проточкой в её верхней части, расширяющим конусом и резьбой для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, выполненный в виде расширяемого патрубка, снабженного сужением в верхней части и герметизирующим элементом снаружи сужения расширяемого патрубка, хвостовик, башмак с клапанным узлом, при этом муфта присоединена к корпусу таким образом, что при повышении давления выше давления «стоп» происходит выталкивание муфты из расширяемого патрубка с одновременным расширением его конусом, при этом муфта снизу в центральном канале снабжена проточкой, в которую на срезных элементах установлена подвесная цементировочная пробка с центральным проходным каналом, посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку, посадочным конусом, выполненным на нижнем конце для посадки в седло стоп-кольца, при этом на верхнем торце расширяемого патрубка выполнены пазы.

Новым является то, что проточка в верхней части муфты выполнена таким образом, что между муфтой и расширяемым патрубком с герметизирующим элементом образована полость, в которой размещен расширяющий конус с центральным отверстием с возможностью движения по проточке муфты с одновременным расширением патрубка с уплотнительным элементом при перепаде давления, воздействующего на расширяющий конус через радиальное отверстие в проточке муфты, нижняя часть муфты соединена с верхней частью резьбой в месте их упора в переводник, соединяющий расширяемый патрубок и хвостовик, и снабжена выступами под пазы переводника, обеспечивающими её синхронное вращение с хвостовиком, подвесная цементировочная пробка установлена таким образом, что она перекрывает радиальные отверстия, сообщающие центральный канал муфты с цилиндрической выборкой, выполненной внутри переводника, при этом в нижней части муфты выполнено седло под сбрасываемый шар, а в пазы на верхнем торце расширяемого патрубка вставлены выступы втулки, которая крепится к верхней части муфты съёмно.

На фиг. 1 изображено устройство в собранном виде перед спуском в скважину.

На фиг. 2 изображено устройство после продавки цементного раствора и отсоединения бурильной колонны от хвостовика.

На фиг. 3 изображена верхняя часть хвостовика, которая извлекается из скважины после отсоединения.

На фиг. 4 изображен узел крепления подвесной пробки увеличенно.

Устройство для спуска и цементирования хвостовика с вращением содержит муфту 1 с проточкой 2 (фиг. 1), расширяющий конус 3 и резьбу 4 для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб (на фиг. 1 не показано). Корпус выполнен в виде расширяемого патрубка 5 (фиг. 1), снабженного сужением 6 в верхней части и герметизирующим элементом 7 снаружи сужения 6 патрубка. Ниже расположен хвостовик 8, башмак 9 с клапанным узлом 10. Муфта 1 присоединена к расширяемому патрубку 5 таким образом, что при повышении давления выше давления «стоп» происходит выталкивание муфты 1 из расширяемого патрубка 5 с одновременным расширением его конусом 3 муфты 1, которая снизу в центральном канале 11 (фиг. 3) снабжена проточкой 12, в которую на срезных элементах установлена подвесная цементировочная пробка 13 (фиг. 1), с центральным проходным каналом 14, посадочным седлом 15 под сбрасываемую с устья скважины пробку 16 (фиг. 2), посадочным конусом 17, выполненным на нижнем конце для посадки в седло стоп-кольца 18. Подвесная цементировочная пробка 13 установлена таким образом, что она перекрывает радиальные отверстия 19 (фиг. 1, 4), сообщающие центральный канал 11 (фиг. 1, 3) муфты 1 и цилиндрической выборки 20 (фиг. 4), размещенной внутри переводника 21, соединяющего патрубок 5 и хвостовик 8 (фиг. 1). На верхнем торце патрубка 5 выполнены пазы 22 (фиг. 1).

Проточка 2 муфты 1 (фиг. 1) выполнена таким образом, что между проточкой муфты 1 и расширяемым патрубком 5 с герметизирующим элементом 7 образована полость 23, в которой размещен расширяющий конус 3 с центральным отверстием 24 с возможностью движения по проточке 2 муфты 1 с одновременным расширением патрубка 5 с герметизирующим элементом 7 при перепаде давления воздействующего на расширяющий конус 3 через радиальное отверстие 25 (фиг. 1, 4) в проточке муфты 1. Нижняя часть муфты 1, соединенная с верхней частью муфты резьбой 26 (фиг. 4) в месте упора в переводник 21 снабжена выступами 27 под пазы 28 переводника 21, также в нижней части муфты 1 выполнено седло 29 под сбрасываемый шар 30 (фиг. 3), а в пазы 22 (фиг. 2) на верхнем торце патрубка 5 вставлены выступы втулки 31 (фиг. 3), которая крепится к верхней части муфты 1 съёмно.

Устройство для спуска и цементирования хвостовика с вращением (далее отцепное устройство) работает следующим образом.

Хвостовик 8 с установленными на нем в нижней части башмаком 9, клапанным узлом 10 и стоп-кольцом 18, и установленном на верхней части хвостовика 8 отцепным устройством через муфту 1 (фиг. 1) по резьбе 4 присоединяют к нижнему концу транспортировочной колонны труб (на фиг. не показана) и спускают в скважину на заданную глубину. Устройство соединено с хвостовиком 8 с возможностью синхронного вращения за счет взаимодействия наружных выступов 27 нижней части муфты 1 с пазами 28, выполненными на переводнике 21 (фиг. 1). Вращать хвостовик 8 можно как во время спуска в скважину для преодоления сопротивления шламовых подушек независимо от длины, сложности и направления ствола, так и во время операции цементирования - для лучшего замещения цементным раствором затрубного пространства.

Далее согласно программе работ через транспортировочную колонну, отцепное устройство и хвостовик производят последовательно прокачку буферной жидкости расчетного объема тампонажного раствора. После этого с устья скважины в транспортировочную колонну сбрасывают пробку 16 (фиг. 2). Она достигает подвесной цементировочной пробки 13 и попадая в посадочное седло 15 фиксируется в ней и перекрывает проходной канал 14. Дальнейшим повышением гидравлического давления производится срез удерживающих пробку элементов (на фиг. 1-4 не показано), и подвесная цементировочная пробка 16 вместе с пробкой 13 начинает двигаться вниз, при этом открывая радиальные отверстия 19 (фиг. 4) При этом тампонажный раствор вытесняется в затрубное пространство, проходя через отверстия башмака 9. По достижении посадочным конусом 17 подвесной цементировочной пробки 13 седла стоп-кольца 18, она фиксируется в нем, герметично перекрывая внутреннее пространство хвостовика 8 от затрубного (фиг. 2). Таким образом, получаем сигнал о завершении процесса цементирования (давление СТОП) определяемый повышением давления на манометре агрегата (на фигурах не показано). Далее стравливают давление продавки до нуля, в этот момент клапанный узел 10 закрывается и препятствует попаданию цемента из затрубного пространства обратно в хвостовик 8.

Далее продолжают увеличивать гидравлическое давление внутри хвостовика 8 до расчетного. При этом под воздействием давления через радиальные каналы 19 нижняя часть муфты 1 начинает двигаться вверх, выталкивая расширяющий конус 3 (фиг. 1) по проточке 2 муфты 1 с одновременным расширением сужения 6 патрубка 5 с герметизирующим элементом 7.

После того как муфта 1 с конусом 3 полностью выйдет из патрубка 5, сужение 6 (фиг. 2) расширяется и посредством герметизирующего элемента 7 плотно прижимается к внутренним стенкам эксплуатационной колонны (на фигурах не показана). Таким образом «голова» хвостовика становится герметична даже в случае частичного ухода цементного раствора в зону поглощения, если таковая существует.

Затем транспортировочную колонну с находящейся на ее нижнем конце муфтой 1 (фиг. 3) поднимают на расчетное расстояние от хвостовика 8 и производят срезку остатков цементного раствора выше «головы» хвостовика промывочной жидкостью. После этого транспортировочною колонну поднимают на устье скважины, а хвостовик 8 оставляют на время ожидания затвердевания цемента.

В случае аварийной ситуации, связанной с отсутствием сигнала о завершении процесса цементирования (давления СТОП) определяемого отсутствием повышения давления на манометре агрегата на устье скважины (возможно при разрушении продавочной пробки при прохождении кольца стоп или не правильной, не герметичной посадке ее в седло кольца стоп), внутрь транспортировочной колонны сбрасывается шар 30 (фиг. 3) который по прохождению расчетного времени садится плотно в седло 29 в нижней части муфты 1 и герметично перекрывает центральный канал 11 (фиг. 3) муфты 1.

Далее увеличивают гидравлическое давление внутри хвостовика 8 до расчетного. При этом под воздействием давления через радиальные каналы 25 расширяющий конус 3 (фиг. 1) начинает двигаться вверх по проточке 2 муфты 1 с одновременным расширением сужения 6 патрубка 5 с герметизирующим элементом 7. После того как муфта 1 с конусом 3 полностью выйдет из патрубка 5, сужение 6 (фиг. 2) расширяется и посредством герметизирующего элемента 7 плотно прижимается к внутренним стенкам эксплуатационной колонны (на фигурах не показана).

Таким образом предлагаемое устройство для спуска и цементирования хвостовика с вращением, надежное в работе, позволяет вращать хвостовик большой длины с необходимым крутящим моментом при цементировании в течении всего периода продавки цемента и гарантированно отстыковать устройство от бурильной колонны с обеспечением герметизации «головы» хвостовика в скважине, также имеет возможность аварийного срабатывания устройства при отсутствии давления СТОП.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности. Устройство для спуска и цементирования хвостовика с вращением содержит муфту с проточкой в её верхней части, расширяющий конус, хвостовик, башмак с клапанным узлом. Корпус выполнен в виде расширяемого патрубка, снабженного сужением в верхней части и герметизирующим элементом снаружи сужения расширяемого патрубка. При повышении давления выше давления «стоп» происходит выталкивание муфты из расширяемого патрубка с одновременным расширением его конусом. Муфта снизу в центральном канале снабжена проточкой с установленной в неё на срезных элементах подвесной цементировочной пробкой с центральным проходным каналом, посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку, посадочным конусом, выполненным на нижнем конце для посадки в седло стоп-кольца. На верхнем торце расширяемого патрубка выполнены пазы. Между муфтой и расширяемым патрубком с герметизирующим элементом образована полость. В полости размещен расширяющий конус с центральным отверстием с возможностью движения по проточке муфты с одновременным расширением патрубка с уплотнительным элементом при перепаде давления, воздействующего на расширяющий конус через радиальное отверстие в проточке муфты. Нижняя часть муфты соединена с верхней частью резьбой в месте их упора в переводник, соединяющий расширяемый патрубок и хвостовик, и снабжена выступами под пазы переводника, обеспечивающими её синхронное вращение с хвостовиком. Подвесная цементировочная пробка перекрывает радиальные отверстия, сообщающие центральный канал муфты с цилиндрической выборкой, выполненной внутри переводника. В нижней части муфты выполнено седло под сбрасываемый шар. В пазы на верхнем торце расширяемого патрубка вставлены выступы втулки, которая крепится к верхней части муфты съёмно. Достигается технический результат – повышение надежности и обеспечение возможности аварийного срабатывания устройства при отсутствии давления «стоп». 4 ил.

Устройство для спуска и цементирования хвостовика с вращением, содержащее муфту с проточкой в её верхней части, расширяющим конусом и резьбой для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, выполненный в виде расширяемого патрубка, снабженного сужением в верхней части и герметизирующим элементом снаружи сужения расширяемого патрубка, хвостовик, башмак с клапанным узлом, при этом муфта присоединена к корпусу таким образом, что при повышении давления выше давления «стоп» происходит выталкивание муфты из расширяемого патрубка с одновременным расширением его конусом, при этом муфта снизу в центральном канале снабжена проточкой, в которую на срезных элементах установлена подвесная цементировочная пробка с центральным проходным каналом, посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку, посадочным конусом, выполненным на нижнем конце для посадки в седло стоп-кольца, при этом на верхнем торце расширяемого патрубка выполнены пазы, отличающееся тем, что проточка в верхней части муфты выполнена таким образом, что между муфтой и расширяемым патрубком с герметизирующим элементом образована полость, в которой размещен расширяющий конус с центральным отверстием с возможностью движения по проточке муфты с одновременным расширением патрубка с уплотнительным элементом при перепаде давления, воздействующего на расширяющий конус через радиальное отверстие в проточке муфты, нижняя часть муфты соединена с верхней частью резьбой в месте их упора в переводник, соединяющий расширяемый патрубок и хвостовик, и снабжена выступами под пазы переводника, обеспечивающими её синхронное вращение с хвостовиком, подвесная цементировочная пробка установлена таким образом, что она перекрывает радиальные отверстия, сообщающие центральный канал муфты с цилиндрической выборкой, выполненной внутри переводника, при этом в нижней части муфты выполнено седло под сбрасываемый шар, а в пазы на верхнем торце расширяемого патрубка вставлены выступы втулки, которая крепится к верхней части муфты съёмно.