Способ заканчивания с применением хвостовика и расширительное подвесное устройство для его осуществления Российский патент 2024 года по МПК E21B23/01 E21B33/128 

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка испрашивает приоритет заявки на патент Китая CN 201910633506.9, поданной 15 июля 2019 г. и озаглавленной «DUAL-SUSPENSION, DUAL-SEALING, HIGH-TEMPERATURE-RESISTANT EXPANSION HANGER», которая полностью включена в данный документ посредством ссылки.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к области инструментов для бурения и заканчивания нефтяных скважин и, более конкретно, относится к расширительному подвесному устройству.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Процесс цементирования с использованием подвесного устройства для хвостовика является одним из наиболее распространенных способов заканчивания для цементирования глубоких скважин, скважин с зарезкой боковых стволов и углубленных скважин. Этот процесс может обеспечить уменьшение обсадной колонны, снижение гидравлического сопротивления в кольцевом пространстве и давления смещения при операциях по закачке цемента, упрощение конструкции основной части скважины, облегчение спуска хвостовой колонны и, таким образом, решение проблем цементирования и заканчивания в глубоких и комплексных скважинах (US4605063A, 12.08.1986).

В настоящее время подвесные устройства для хвостовика можно разделить, по режимам их установки, на подвесные устройства для хвостовика клинового типа и подвесные устройства для хвостовика расширительного типа. В целом подвесные устройства для хвостовика клинового типа сталкиваются с такими проблемами, как ненадежная установка, небольшие диаметры установки и неудовлетворительные эффекты уплотнения. В случае подвесных устройств для хвостовика расширительного типа обычно применяют гидравлический режим для реализации расширения и установки подвесных устройств таким образом, что резиновый цилиндр зажимают между двумя слоями обсадных труб для реализации уплотнения. Подвесные устройства для хвостовика расширительного типа имеют ограниченные режимы подвешивания и установки, и к ним преимущественно применяют только резиновое уплотнение в условиях высоких температур в глубоких скважинах и скважинах месторождений, разрабатываемых тепловыми методами. Следовательно, все еще существует риск того, что резина постареет и придет в негодность при высокой температуре, а также затруднено высвобождение с развинчиванием.

Кроме того, при обычных операциях по развинчиванию расширительного подвесного устройства необходимо регулировать нагрузку на крюк бурового инструмента в соответствии с весом бурового инструмента над подвесным устройством для хвостовика. Нагрузка на крюк бурового инструмента в этой точке также называется нейтральной точкой бурового инструмента. Однако в случае глубокой скважины или наклонной скважины очень сложно точно регулировать нагрузку на крюк в этой нейтральной точке, и погрешность обычно велика, что приводит к трудностям в операциях по развинчиванию на буровой.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Принимая во внимание вышеуказанные технические проблемы, настоящее изобретение предназначено для обеспечения расширительного подвесного устройства, которое имеет удовлетворительные характеристики подвешивания и уплотнения и которое можно без труда задействовать в операциях по развинчиванию, тем самым соответствуя требованиям к конструкции для цементирования хвостовика в нефтяных и газовых скважинах, и в частности применимо к операциям по заканчиванию с использованием хвостовика в особых условиях работы в глубоких скважинах и скважинах месторождений, разрабатываемых тепловыми методами, тем самым снижая потенциальные риски в отношении техники безопасности, связанные с расширительными подвесными устройствами, в таких аспектах, как гидравлическая установка, резиновое уплотнение и высвобождение с развинчиванием.

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, обеспечено расширительное подвесное устройство, содержащее расширительный подвесной цилиндр и клиновую плашку, обеспеченную на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра. Клиновая плашка содержит совокупность клиновых блоков, расположенных по периферии и имеющих обеспеченные на своих поверхностях клиновые зубья, а между смежными клиновыми блоками образован циркуляционный канал, при этом два смежных по периферии клиновых блока соединены друг с другом по меньшей мере двумя упруго деформируемыми соединительными ребрами, а все клиновые блоки фиксируются друг к другу посредством фиксирующего кольца.

В одном варианте реализации соединительные ребра расположены в средней части и нижней части клиновой плашки, соответственно, тогда как фиксирующее кольцо обеспечено в верхней части клиновой плашки.

В одном варианте реализации верхняя часть каждого из клиновых блоков содержит сужающийся участок, а фиксирующее кольцо выполнено с возможностью окружения сужающихся участков всех клиновых блоков, чтобы фиксировать вместе совокупность клиновых блоков.

В одном варианте реализации наружные диаметры всех соединительных ребер меньше, чем наружный диаметр клиновых блоков, и/или наружный диаметр фиксирующего кольца меньше, чем наружный диаметр клиновых блоков.

В одном варианте реализации уплотнительный цилиндр обеспечен на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра, и уплотнительный цилиндр расположен ниже по стволу скважины от клиновой плашки и образован одним или более из резинового цилиндра, комбинации резинового цилиндра и трапециевидного металлического кольца и комбинации резинового цилиндра и зубчатого металлического кольца.

В одном варианте реализации совокупность уплотнительных цилиндров расположены в осевом направлении и с интервалом на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра.

В одном варианте реализации трапециевидное металлическое кольцо сконструировано таким образом, что размер его наружной стороны больше, чем размер внутренней стороны, а как трапециевидное металлическое кольцо, так и зубчатое металлическое кольцо имеют меньший наружный диаметр, чем наружный диаметр резинового цилиндра.

В одном варианте реализации расширительное подвесное устройство дополнительно содержит предохранительный механизм, причем предохранительный механизм содержит опорную оправку, жестко соединенную с расширительной оправкой внутри расширительного подвесного цилиндра; пружинную муфту, установленную на опорной оправке через подшипник; развинчивающий соединитель, установленный на опорной оправке и выполненный с возможностью скольжения в осевом направлении вдоль опорной оправки и вращения вместе с опорной оправкой; переводной соединитель, установленный на наружной стороне развинчивающего соединителя и находящийся в резьбовом соединении с развинчивающим соединителем; и пружину, расположенную между опорной оправкой и переводным соединителем в радиальном направлении и между пружинной муфтой и развинчивающим соединителем в осевом направлении, при этом пружинная муфта может сжимать пружину в ответ на перемещение опорной оправки вниз до тех пор, пока она не упрется в переводной соединитель, а развинчивающий соединитель может вращаться вместе с вращением опорной оправки, тем самым выводя из зацепления резьбовое соединение между развинчивающим соединителем и развинчивающим соединителем.

В одном варианте реализации развинчивающий соединитель выполнен с левосторонней наружной резьбой, переводной соединитель выполнен с левосторонней внутренней резьбой, а вращение опорной оправки представляет собой вращение по часовой стрелке.

В одном варианте реализации на расположенном ниже по стволу скважины конце опорной оправки обеспечена полая резиновая пробка. Альтернативно, стержень резиновой пробки обеспечен на расположенном ниже по стволу скважины конце опорной оправки, а полая резиновая пробка обеспечена на расположенном ниже по стволу скважины конце стержня резиновой пробки.

В одном варианте реализации на расположенном ниже по стволу скважины конце переводного соединителя обеспечен хвостовик, а внутри хвостовика расположена полая резиновая пробка.

В одном варианте реализации расширительная подвесное устройство содержит механизм установки клиновых плашек, расположенный выше по стволу скважины от клиновой плашки. Механизм установки клиновых плашек содержит центральную трубу, расположенную внутри расширительного подвесного цилиндра, верхний расширительный конус, плотно прилегающий к центральной трубе со скольжением в осевом направлении, гидравлический механизм, соединенный с верхним расширительным конусом, и гидравлический пусковой узел для приведения в действие гидравлического механизма.

В одном варианте реализации гидравлический пусковой узел содержит впускное отверстие для жидкости, сообщающееся с внутренней полостью центральной трубы, разрывной элемент, установленный внутри впускного отверстия для жидкости, и фиксирующий блок для фиксации разрывного элемента, при этом разрывной элемент выполнен с возможностью разрыва при заданном давлении, тем самым приводя в действие гидравлический механизм для выполнения установки клиновой плашки.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения, обеспечен способ заканчивания посредством хвостовика, который реализуют при помощи вышеописанного расширительного подвесного устройства, причем способ включает следующие этапы: этап 1, спуск хвостовика; этап 2, выполнение операции по циклическому развинчиванию; этап 3, выполнение цементирования скважины и установки клиновой плашки; этап 4, выполнение установки подвесного устройства; и этап 5, выполнение высвобождения и заканчивания скважины.

В одном варианте реализации на этапе 2 буровой инструмент поднимают или прижимают в положении нагрузки в нейтральной точке таким образом, что опорная оправка в предохранительном механизме скользит относительно развинчивающего соединителя до тех пор, пока пружинная муфта не упрется в переводной соединитель, а затем опорная оправка приводится во вращение путем вращения бурильной штанги, тем самым приводя во вращение развинчивающий соединитель, чтобы вывести из зацепления резьбовое соединение между развинчивающим соединителем и переводным соединителем.

В одном варианте реализации на этапе 3 гидравлическое усилие, возникающее при повторном объединении резиновых пробок бурильной штанги посредством смещения, передается на гидравлический механизм механизма установки клиновой плашки, который толкает верхний расширительный конус для перемещения вдоль центральной трубы, что приводит к установке клиновой плашки.

В одном варианте реализации на этапе 4 расширительный подвесной цилиндр приводят к расширению таким образом, что уплотнительный цилиндр подвесного уплотнительного механизма расширяется и сжимается между расширительным подвесным цилиндром и технической обсадной колонной.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Настоящее изобретение будет описано более подробно ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы, а также посредством схематических и приведенных в качестве примера вариантов реализации. В графических материалах:

на фиг. 1 схематично проиллюстрирован вид в поперечном разрезе всей конструкции расширительного подвесного устройства в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения;

на фиг. 2 схематично иллюстрирована конструкция предохранительного механизма в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 3 схематично иллюстрирована конструкция металлической клиновой плашки в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг. 4 схематично иллюстрирована конструкция уплотнительного цилиндра в расширительном подвесном устройстве, показанном на фиг. 1;

на фиг. 5 представлен увеличенный вид области А, показанной на фиг. 1, на котором схематично проиллюстрирована конструкция гидравлического пускового узла механизма установки клиновой плашки;

на фиг. 6 схематично проиллюстрировано состояние спуска расширительного подвесного устройства, показанного на фиг. 1;

на фиг. 7 схематично проиллюстрировано состояние развинчивания расширительного подвесного устройства, показанного на фиг. 1, перед цементированием скважины;

на фиг. 8 схематично проиллюстрировано состояние цементирования скважины и установки металлической клиновой плашки расширительного подвесного устройства, показанного на фиг. 1;

на фиг. 9 схематично проиллюстрировано состояние установки расширительного подвесного устройства, показанного на фиг. 1; и

на фиг. 10 схематично проиллюстрировано состояние колонны труб расширительного подвесного устройства, показанного на фиг. 1, после заканчивания строительства.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение будет дополнительно описано ниже со ссылкой на прилагаемые графические материалы. В дальнейшем термины направления, такие как «внизу», «ниже по стволу скважины» и «направленный вниз», относятся к направлению от устья скважины, тогда как термины «вверху», «выше по стволу скважины» и «направленный вверх» относятся к направлению к устью скважины.

На фиг. 1 проиллюстрировано расширительное подвесное устройство 100 в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения. Как показано на фигуре, расширительное подвесное устройство 100 в основном содержит расширительный подвесной цилиндр 1, механизм 24 установки клиновой плашки, подвесной уплотнительный механизм 25, расширительный механизм 26 и предохранительный механизм 27.

Расширительный подвесной цилиндр 1 расширительного подвесного устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением представляет собой одноразовую короткую секцию, верхний участок и нижний участок которой соответственно обработаны с расширительным выпускным отверстием 23, которое предварительно расширено и имеет направленную вверх воронкообразную форму, и расширительный привод 22, который имеет направленную вниз воронкообразную форму. Нижняя часть расширительного подвесного цилиндра 1 жестко соединена с хвостовиком 16 через переводной соединитель 15, подробно описанный ниже.

Механизм 24 установки клиновой плашки расширительного подвесного устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением содержит центральную трубу 7, расположенную внутри расширительного подвесного цилиндра 1, верхний расширительный конус 4, плотно прилегающий к центральной трубе 7 с возможностью осевого скольжения, и гидравлический механизм 6, соединенный с верхним расширительным конусом 4. Верхний расширительный конус 4 обеспечен направленной вниз поверхностью расширительного конуса и расположен в расширительном выпускном отверстии 23 расширительного подвесного цилиндра 1. Гидравлический механизм 6 может представлять собой одноступенчатый или многоступенчатый гидравлический механизм и обеспечен впускным отверстием для жидкости, сообщающимся с внутренней полостью центральной трубы 7 (подробно описанной ниже). На центральной трубе 7 обеспечена ограничительная конструкция, которая может представлять собой, например, ступеньку на наружной поверхности центральной трубы 7, используемую для ограничения направленной вниз точки останова хода верхнего расширительного конуса 4.

Расширительный механизм 26 расширительного подвесного устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением содержит расширительную оправку 9 и нижний расширительный конус 5. Расширительный механизм 26 расположен в расширительном приводе 22 расширительного подвесного цилиндра 1. Расширительная оправка 9 и нижний расширительный конус 5 могут представлять собой цельную полую конструкцию или полую конструкцию в виде комбинированного комплекта. Наружная поверхность нижнего расширительного конуса 5 обеспечена направленной вверх поверхностью расширительного конуса. Верхняя часть расширительной оправки 9 может быть непосредственно жестко соединена с центральной трубой 7 или может быть соединена с центральной трубой 7 через фиксирующую короткую секцию 8, как показано на фиг. 1.

В вышеописанной конструкции расширительный подвесной цилиндр 1 и переводной соединитель 15 последовательно жестко соединены сверху вниз, образуя наружную колонну труб, а гидравлический механизм 6, центральная труба 7, расширительная оправка 9 и опорная оправка 10, а также описываемая ниже полая резиновая пробка 18 последовательно жестко соединены сверху вниз, образуя внутреннюю колонну труб.

Вышеописанная конструкция и ее функции хорошо известны в области расширительных подвесных устройств, и поэтому соответствующее подробное вступительное описание в данном документе опущено.

Предохранительный механизм 27 в соответствии с настоящим изобретением расположен в нижней части расширительного механизма 26. Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, предохранительный механизм 27 содержит опорную оправку 10, соединенную с расширительной оправкой 9 расширительного механизма 26. В проиллюстрированном варианте реализации передний конец опорной оправки 10 заходит во внутреннюю полость расширительной оправки 9, которые взаимно соединены посредством, например, резьбы. На нижней части опорной оправки 10 установлен развинчивающий соединитель 14. Развинчивающий соединитель 14 имеет форму муфты, и на его наружной поверхности выполнена развинчивающая резьба, такая как левосторонняя наружная резьба. Внутренняя поверхность развинчивающего соединителя 14 обеспечена плоским участком плоскости, которая взаимодействует с соответствующей плоским участком плоскости на наружной поверхности опорной оправки 10 таким образом, что развинчивающий соединитель 14 может скользить в осевом направлении вдоль опорной оправки 10, а также вращаться вместе с вращением опорной оправки 10.

Как описано выше, нижний участок расширительного подвесного цилиндра 1 жестко соединен с хвостовиком 16 через переводной соединитель 15. Внутренняя поверхность переводного соединителя 15 образована с левосторонней внутренней резьбой для вхождения в зацепление с развинчивающей резьбой (т. е. левосторонней наружной резьбой) развинчивающего соединителя 14. Следовательно, переводной соединитель 15 соединен с развинчивающим соединителем 14 с наружной стороны.

Пружинная муфта 12 обеспечена на одном конце опорной оправки 10 рядом с расширительной оправкой 9. Пружинная муфта 12 установлена на расширительной оправке 9 через подшипник 11 таким образом, что пружинная муфта 12 не вращается вместе с вращением опорной оправки 10. Кроме того, установлена пружина 13, окружающая опорную оправку 10 и между пружинной муфтой 12 и переводным соединителем 15. Таким образом, оказавшись под воздействием действующей силы, пружинная муфта 12 может двигаться вниз вдоль опорной оправки 10 (т. е. направленное вправо перемещение, показанное на фиг. 2), тем самым сжимая до определенной степени пружину 13 до тех пор, пока пружина 13 не упрется в переводной соединитель 15.

Таким образом, развинчивающий соединитель 14 соединен с переводным соединителем 15 через левостороннюю развинчивающую резьбу. Развинчивающий соединитель 14 установлен на опорной оправке 10, может перемещаться в осевом направлении и может вращаться вместе с опорной оправкой 10. Пружинная муфта 12 установлена на опорной оправке 10. Расширительная оправка 9 и опорная оправка 10 соединены посредством резьбы, а подшипник 11 расположен между расширительной оправкой 9 и опорной оправкой 10 таким образом, что пружинная муфта 12 не вращается вместе с вращением опорной оправки 10.

При обычных операциях по развинчиванию необходимо регулировать нагрузку на крюк бурового инструмента до нейтральной точки, например развинчивающий соединитель не подвергается осевому усилию, а это означает, что развинчивающий соединитель не подвергается нагрузке нижнего хвостовика 16, соединенного с переводным соединителем. Нагрузка на крюк бурового инструмента в этой точке называется нейтральной точкой бурового инструмента. Однако в случае глубокой скважины или наклонной скважины очень сложно точно регулировать нагрузку на крюк в этой нейтральной точке, и погрешность обычно велика, что приводит к трудностям в операциях по развинчиванию на буровой.

В соответствии с настоящим изобретением, когда буровой инструмент прижимается, поскольку развинчивающий соединитель 14 фиксируется внутри переводного соединителя 15, а плоские участки плоскости опорной оправки 10 и развинчивающего соединителя 14 соединяются друг с другом, расширительная оправка 9 и опорная оправка 10 могут перемещаться вниз по отношению к развинчивающему соединителю 14, тем самым сжимая пружину 13 через пружинную муфту 12. Когда пружинная муфта 12 перемещается вниз к расположенной выше по стволу скважины торцевой поверхности переводного соединителя 15 с образованием упорного соединения, расширительная оправка 9 и опорная оправка 10 останавливают перемещение вниз. В этот момент буровой инструмент вращается вперед, опорная оправка 10 соответственно вращается вперед, а пружинная муфта 12 не вращается, однако расширительная оправка 9 и опорная оправка 10 вращаются по отношению к пружинной муфте 12. Вращение опорной оправки 10 приведет в движение вращение развинчивающего соединителя 14 таким образом, что левостороннее резьбовое соединение между развинчивающим соединителем 14 и переводным соединителем 15 разъединяется, тем самым реализуя выход развинчивающего соединителя 14 из зацепления с переводным соединителем 15 для завершения операции по развинчиванию. В результате внутренняя колонна труб выходит из зацепления с хвостовиком.

В соответствии с настоящим изобретением, поскольку используется предохранительный механизм 27 специальной конструкции, нет необходимости точно регулировать нагрузку на крюк бурового инструмента до нейтральной точки. После того как буровой инструмент прижат, опорная оправка 10 перемещается вниз по отношению к развинчивающему соединителю 14, пружинная муфта 12 сжимает пружину 13, чтобы перемещаться вниз к верхней торцевой поверхности переводного соединителя 15, и нагрузка на крюк бурового инструмента, который прижимается вниз, действует на переводной соединитель 15. В этот момент развинчивающий соединитель 14 не подвергается действию усилия в осевом направлении. Следовательно, когда развинчивающий соединитель 14 вращается для выполнения операции по развинчиванию, развинчивающий соединитель 14 подвергается нагрузке таким образом, что можно без труда передать крутящий момент на развинчивающую резьбу и облегчить выполнение операции по развинчиванию резьбы. Это значительно повышает показатель эффективности операций по развинчиванию.

В варианте реализации, показанном на фиг. 1, предохранительный механизм 27 дополнительно содержит стержень 17 резиновой пробки, соединенный с расположенным ниже по стволу скважины концом опорной оправки 10. В нижней части стержня 17 резиновой пробки жестко установлена полая резиновая пробка 18, например, через штифт (не показан), который расположен внутри хвостовика 16, соединенного с расширительным подвесным цилиндром 1 через переводной соединитель 15. В не показанном варианте реализации стержень 17 резиновой пробки может быть опущен, и в этот момент резиновая пробка 18 непосредственно соединена с расположенным ниже по стволу скважины концом опорной оправки 10. И стержень 17 резиновой пробки, и резиновая пробка 18 являются частями, хорошо известными в данной области техники, и их подробное описание опущено в данном документе.

Подвесной уплотнительный механизм 25 расширительного подвесного устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением содержит металлическую клиновую плашку 2 и уплотнительные цилиндры 3, зафиксированные на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра 1. В варианте реализации, показанном на фиг. 1, три уплотнительных цилиндра 3 расположены в осевом направлении и с интервалом на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра 1. Однако можно понять, что конкретное количество уплотнительных цилиндров 3 может быть выбрано в зависимости от конкретных ситуаций.

Как показано на фиг. 3, металлическая клиновая плашка 2 содержит совокупность клиновых блоков 201, расположенных по кругу. Циркуляционный канал 205 образован между смежными клиновыми блоками 201. Каждый из клиновых блоков 201 обработан с клиновыми зубьями 202. Два смежных по периферии клиновых блока 201 прикреплены друг к другу по меньшей мере двумя упруго деформируемыми соединительными ребрами 203 и фиксирующим кольцом 204. Соединительные ребра 203 имеют открытую незамкнутую кольцевую конструкцию с наружным диаметром, меньшим, чем наружный диаметр клиновых блоков 201. Кроме того, наружный диаметр фиксирующего кольца 204 немного меньше наружного диаметра клиновых блоков 201.

Благодаря такой конфигурации, когда металлическая клиновая плашка 2 расширяется и уплотняется, клиновые блоки 201 не расширяются сами по себе, однако соединительные ребра 203, которые соединяют клиновые блоки 201, растягиваются, а клиновые зубья 202 на клиновых блоках 201 сжимаются и закрепляются на внутренней стенке технической обсадной колонны 21, что способствует снижению давления установки металлической клиновой плашки.

В проиллюстрированном варианте реализации смежные клиновые блоки 201 зафиксированы в нижней части и средней части двумя соединительными ребрами 203, а в верхней части зафиксированы фиксирующим кольцом 204. Таким образом предотвращается заглубление клиновых блоков 201 в основную часть расширительного подвесного цилиндра 1, что обеспечивает безопасное расширение расширительного подвесного цилиндра 1, и, кроме того, клиновые блоки 201 органически соединяются в единое целое посредством соединительных ребер 203 и фиксирующего кольца 204 и фиксируются на наружной стороне расширительного подвесного цилиндра 1, тем самым реализуя установку в состоянии относительно небольшого гидравлического давления.

В конкретном варианте реализации верхняя часть каждого клинового блока 201 образована со сужающимся участком 208, а фиксирующее кольцо 204 выполнено с возможностью окружения сужающегося участками 208 всех клиновых блоков 201.

В не проиллюстрированном варианте реализации соединительные ребра и фиксирующее кольцо могут быть выполнены в других комбинированных режимах. Например, можно использовать два фиксирующих кольца 204, которые соответственно расположены на верхней части и нижней части клиновой плашки 2, а соединительное ребро 203 расположено в средней части клиновой плашки 2.

В соответствии с настоящим изобретением, клиновые блоки 201 металлической клиновой плашки 2 зафиксированы с помощью соединительных ребер 203, которые имеют относительно небольшой наружный диаметр и являются тонкими, и фиксирующего кольца 204, тем самым сохраняя относительно большую площадь циркуляции в положении клиновой плашки. В то же время эта конструкция также может снизить гидравлическое давление металлической клиновой плашки 2 во время установки и предотвратить возникновение аномального давления во время установки клиновой плашки 2. Кроме того, после установки металлической клиновой плашки 2 циркуляционный канал 205 по-прежнему находится в соединительных ребрах 203 между клиновыми блоками 201, что позволяет жидкости течь.

Как показано на фиг. 4, уплотнительные цилиндры 3 подвесного уплотнительного механизма 25 представляют собой одно или более из резиновых цилиндров 301, комбинации резинового цилиндра 301 и трапециевидного металлического кольца 302, а также комбинации резинового цилиндра 301 и зубчатого металлического кольца 303, при этом резиновый цилиндр 301 может быть изготовлен, например, из стойкого к высоким температурам фторкаучука и иметь цилиндрическую форму. Соответственно, металлическая муфта (не показана), способная образовывать предельное зацепление с резиновым цилиндром 301, обеспечена в положении на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра 1, соответствующем резиновому цилиндру 301. Трапециевидное металлическое кольцо 302 имеет конструкцию, которая является широкой снаружи и узкой внутри, то есть осевой размер его радиальной наружной стороны больше, чем осевой размер радиальной внутренней стороны, тем самым образуя перевернутую трапециевидную форму. И трапециевидное металлическое кольцо 302, и зубчатое металлическое кольцо 303 могут быть изготовлены из мягкого металлического материала и иметь наружный диаметр, немного меньший, чем наружный диаметр резинового цилиндра 301.

Трапециевидное металлическое кольцо 302 встроено в резиновом цилиндре 301, что способствует предотвращению выхода уплотнительных цилиндров 3 из зацепления во время расширения. С другой стороны, зубчатое металлическое кольцо 303 легко сжимается во время расширения, что позволяет избежать чрезмерного сжатия металлического кольца из-за разности во внутреннем диаметре технической обсадной колонны 21, что приводит к чрезмерно высокому давлению расширения металлического кольца и повышенным рискам операций на буровой. После установки металлическая клиновая плашка 2 может увеличить усилие подвешивания хвостовика, тем самым реализуя расширительное подвесное устройство с механико-гидравлическим двойным действием и снижая ее гидравлическое усилие расширения.

В соответствии с настоящим изобретением, подвесной уплотнительный механизм 25 содержит металлическую клиновую плашку 2 и уплотнительные цилиндры 3. При использовании двух режимов подвешивания металлической клиновой плашки 2 и уплотнительных цилиндров 3 усилие подвешивания расширительного подвесного устройства 100 может быть увеличено. При использовании режимов уплотнения с двумя различными материалами, т. е. металлическими кольцами 302, 303 и резиновым цилиндром 301, можно улучшить характеристики уплотнения и стойкие к температурам характеристики расширительного подвесного устройства 100, что подходит для операций подвешивания хвостовика в глубоких скважинах и скважинах месторождений, разрабатываемых тепловыми методами. Таким образом, расширительное подвесное устройство 100 в соответствии с настоящим изобретением представляет собой расширительное подвесное устройство с двойным подвешиванием и двойным уплотнением, устойчивое к высоким температурам.

Механизм 24 установки клиновой плашки в соответствии с настоящим изобретением дополнительно содержит гидравлический пусковой узел. Как показано на фиг. 5, гидравлический пусковой узел содержит впускное отверстие 601 для жидкости, сообщающееся с внутренней полостью центральной трубы 7, разрывной элемент 602, установленный внутри впускного отверстия 601 для жидкости, и фиксирующий блок 603 для фиксации разрывного элемента 602, при этом фиксирующий блок 603 обеспечен отверстием для связи с гидравлическим механизмом 6. В начальном состоянии гидравлический механизм 6 находится в закрытом состоянии. При выполнении цементирования и смещения проводят сжатие после того, как резиновая пробка 20 бурильной штанги и полая резиновая пробка 18 повторно объединяются таким образом, что разрывной элемент 602 разрывается, тем самым приоткрывая циркуляционный канал. В этот момент давление передается на гидравлический механизм, и гидравлически устанавливается металлическая клиновая плашка 2.

При обеспечении такого гидравлического пускового узла, гидравлический пусковой узел изначально находится в закрытом состоянии, что предотвращает раннюю установку металлической клиновой плашки 2 из-за действия перепада давления при спуске инструмента, тем самым снижая риск спуска вниз колонны труб. При открытии гидравлического пускового узла гидравлическое давление передается на гидравлический механизм 6 так, что металлическая клиновая плашка 2 устанавливается надлежащим образом, что обеспечивает безопасность операций на буровой.

Было бы легко понятно, что гидравлический механизм 6 может иметь конструкцию многоступенчатого гидравлического цилиндра, а количество ступеней гидравлического цилиндра гидравлического механизма 6 можно регулировать в соответствии с давлением установки металлической клиновой плашки 2.

Ниже будет кратко описан способ выполнения операции для выполнения заканчивания скважины при помощи хвостовика с использованием расширительного подвесного устройства 100 в соответствии с настоящим изобретением.

Сначала хвостовик 16 спускают вниз. Со ссылкой на фиг. 6, при спуске хвостовика 16 вниз на месторождении собранное расширительное подвесное устройство соединяется с верхней частью колонны хвостовика, которая затем соединяется с бурильной штангой 19 для вспомогательной доставки, тем самым завершая безопасный спуск вниз колонны хвостовика. Если колонна хвостовика заблокирована в процессе спуска вниз, спуску вниз колонны труб можно способствовать путем подъема и прижатия буровой штанги 19 (см. фиг. 1 и фиг. 8).

Затем выполняют операцию по циклическому развинчиванию. В соответствии с фиг. 7, когда хвостовик 16 спускают вниз на глубину проектной скважины, скважину циклически промывают, и перед закачкой цемента выполняют операцию по высвобождению с развинчиванием. Во время операции по развинчиванию нагрузку на крюк бурового инструмента регулируют для нахождения нейтральной точки бурового инструмента, и высвобождение колонны труб выполняют путем вращения вперед. Под действием траектории ствола скважины и коэффициента трения предохранительный механизм 27 расширительного подвесного устройства может все еще находиться в поднятом или прижатом состоянии, даже если нейтральная точка найдена путем регулирования нагрузки на крюк бурового инструмента в устье скважины. В положении нагрузки в нейтральной точке буровой инструмент приподнимают или прижимают до определенной нагрузки. Поскольку развинчивающий соединитель 14 может скользить в осевом направлении на опорной оправке 10, пружинная муфта 12 может сжимать пружину 13, тем самым поглощая определенную нагрузку. Опорная оправка 10 имеет определенный ход движения таким образом, что развинчивающая резьба подвергается воздействию относительно небольшого осевого усилия. Затем буровая штанга 19 вращается вперед, опорная оправка 10 приводит во вращение развинчивающий соединитель 14, а пружина 13 и пружинная муфта 12 вращаются через подшипник 11 по отношению к расширительной оправке 9 таким образом, что развинчивающая резьба, соединяющая развинчивающий соединитель 14 и переводной соединитель 15, выходят из зацепления, тем самым завершая операцию по высвобождению.

В отношении обычного высвобождению развинчивающей резьбы предохранительный механизм 27 в соответствии с настоящим изобретением может уменьшить осевое усилие развинчивающей резьбы, способствует нахождению нагрузки в нейтральной точке и повышает показатель эффективности операций по развинчиванию.

Затем выполняют установку клиновой плашки. Со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 8, после завершения операции по развинчиванию расширительного подвесного устройства 100 нижний расширительный конус 5, расположенный на расширительной оправке 9, и расширительный привод 22 расширительного подвесного цилиндра 1 образуют поверхностный контакт конуса, цемент закачивают в соответствии со штатной процедурой цементирования скважины, а резиновую пробку 20 буровой штанги устанавливают для смещения. Когда резиновая пробка 20 буровой штанги смещается к полой резиновой пробке 18 в нижней части стержня 17 резиновой пробки и блокируется, создается внутреннее давление, и, таким образом, гидравлическое усилие передается на гидравлический механизм 6 механизма 24 установки клиновой плашки. Гидравлический механизм 6 толкает верхний расширительный конус 4 с перемещением вниз вдоль центральной трубы 7, заставляя расширительное выпускное отверстие 23 в верхней части расширительного подвесного цилиндра 1 и металлической клиновой плашки 2 образовывать расширенное уплотнение. Когда металлическая клиновая плашка 2 расширяется и уплотняется, клиновые блоки 201 не расширяются, однако соединительные ребра 203, которые соединяют клиновые блоки 201, растягиваются, а зубья 202 клиновых блоков 201 сжимаются и закрепляются на внутренней стенке технической обсадной колонны 21, что способствует снижению давления установки металлической клиновой плашки. При перемещении верхнего расширительного конуса 4 вниз до предельной конструкции в нижней части центральной трубы 7 он прекращает перемещаться вниз, и в этот момент металлическая клиновая плашка 2 завершает установку. Давление продолжает нарастать, и полая резиновая пробка 18 срезается. В этот момент полая резиновая пробка 18 выходит из зацепления со стержнем 17 резиновой пробки и продолжает смещаться и перемещается вниз к цементировочному приспособлению и прижимается.

Затем выполняют установку расширительного подвесного устройства. Со ссылкой на фиг. 9, после прижимания полой резиновой пробки 18 давление в устье скважины продолжает нарастать до тех пор, пока не будет достигнуто расчетное давление. При уменьшении нагрузки на крюк бурового инструмента в устье скважины буровой инструмент поднимают вверх, а нижний расширительный конус 5 толкают гидравлическим путем таким образом, что расширительный подвесной цилиндр 1 расширяется, тем самым расширяя и сжимая уплотнительные цилиндры 3 на подвесном уплотнительном механизме 25 между расширительным подвесным цилиндром 1 и технической обсадной колонной 21. Благодаря вышеописанной специальной конструкции уплотнительных цилиндров 3 может быть образовано прочное механическое уплотнение из двойных материалов «металл и резина». Когда нижний расширительный конус 5 расширяется к уплотнительным цилиндрам 3, его давление установки выше, чем внутреннее давление расширительного подвесного цилиндра 1, поскольку уплотнительные цилиндры 3 сжимаются. Чтобы давление расширения не стало слишком высоким, металлическая клиновая плашка 2 после установки может обеспечивать механическое опорное усилие для снижения давления расширения при установке на уплотнительных цилиндрах 3.

И наконец, выполняют высвобождение и заканчивание скважины. Со ссылкой на фиг. 10, когда нижний расширительный конус 5 полностью завершает расширение расширительного подвесного цилиндра 1, нижний расширительный конус 5 высвобождается внутри расширительного подвесного цилиндра 1 под действием гидравлического усилия и механического подъемного усилия, давление высвобождается в устье скважины, и установка расширения расширительного подвесного цилиндра 1 завершена. После того как избыточный цементный раствор выходит из устья скважины, буровой инструмент поднимают для заканчивания скважины.

Подвесное устройство 100 в соответствии с настоящим изобретением может обеспечить, чтобы развинчивающий соединитель не подвергался нагрузке во время операции по развинчиванию таким образом, что можно без труда передать крутящий момент на развинчивающую резьбу и облегчить выполнение операции по развинчиванию резьбы. После установки может быть реализовано двойное подвешивание металлической клиновой плашки 2 и уплотнительных цилиндров 3, а также двойное уплотнение из металла и резины, что эффективно повышает усилие подвешивания расширительного подвесного устройства и значительно улучшает уплотняющую способность расширительного подвесного устройства в условиях высоких температур.

Кроме того, в способе цементирования и заканчивания скважины в соответствии с настоящим изобретением принят режим работы, в котором верхний расширительный конус 4 и нижний расширительный конус 5 используют сначала для установки клиновой плашки 2, а затем для установки расширительного подвесного цилиндра 1, который может увеличивать механическое усилие установки, снижать гидравлическое усилие расширения и, таким образом, снижать риск при эксплуатации. Таким образом, подвесное устройство 100 в соответствии с настоящим изобретением может быть хорошо применимо в операциях заканчивания с использованием хвостовика в высокотемпературных внутрискважинных условиях в скважинах месторождений, разрабатываемых тепловыми методами, глубоких скважинах и сверхглубоких скважинах.

Подвесное устройство 100 в соответствии с настоящим изобретением описано выше. Однако можно понять, что на практике один или более механизмов или одна или более их частей также могут быть опущены. Например, в непроиллюстрированном варианте реализации подвесное устройство 100 в соответствии с настоящим изобретением может не содержать механизм 24 установки клиновой плашки, и в этом случае установку подвесного устройства выполняют непосредственно после операции по циклическому развинчиванию. В этом случае клиновая плашка не может обеспечить механическое усилие при установке подвесного устройства, но после ее установки усилие подвешивания подвесного устройства все же может быть увеличено.

Хотя настоящее изобретение и было описано с помощью ссылки и предпочтительным образом посредством вариантов реализации, настоящее изобретение может быть улучшено различными способами, а его части могут быть заменены эквивалентными объектами без отклонения от объема настоящего изобретения. В частности, в случае отсутствия конструктивных несоответствий различные технические признаки, упомянутые в различных вариантах реализации, можно комбинировать любым образом. Настоящее изобретение не ограничивается раскрытыми в данном документе конкретными вариантами реализации, а должно охватывать все технические решения, попадающие в объем формулы изобретения.

Изобретение относится к способу заканчивания с применением хвостовика и расширительному подвесному устройству для его осуществления. Техническим результатом является повышение надежности заявленного устройства, а также повышение эффекта уплотнения. Расширительное подвесное устройство содержит расширительный подвесной цилиндр и клиновую плашку, обеспеченную на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра. Клиновая плашка содержит совокупность клиновых блоков, расположенных по периферии и имеющих обеспеченные на их поверхностях клиновые зубья. Также клиновая плашка содержит циркуляционный канал, образованный между смежными клиновыми блоками. Два смежных по периферии клиновых блока соединены друг с другом по меньшей мере двумя упруго деформируемыми соединительными ребрами. Все клиновые блоки выполнены с возможностью фиксации друг к другу посредством фиксирующего кольца. Также устройство содержит предохранительный механизм. Предохранительный механизм содержит опорную оправку, жестко соединенную с расширительной оправкой внутри расширительного подвесного цилиндра. Также предохранительный механизм содержит пружинную муфту, установленную на опорной оправке через подшипник. А также предохранительный механизм содержит развинчивающий соединитель, установленный на опорной оправке. Развинчивающий соединитель выполнен с возможностью скольжения в осевом направлении вдоль опорной оправки и вращения вместе с опорной оправкой. Также предохранительный механизм содержит переводной соединитель, установленный на наружной стороне развинчивающего соединителя и имеющий резьбовое соединение с развинчивающим соединителем. А также предохранительный механизм содержит пружину, расположенную между опорной оправкой и переводным соединителем в радиальном направлении и между пружинной муфтой и развинчивающим соединителем в осевом направлении. Пружинная муфта выполнена с возможностью сжатия пружины в ответ на перемещение опорной оправки вниз до тех пор, пока она не упрется в переводной соединитель. Развинчивающий соединитель выполнен с возможностью вращения вместе с вращением опорной оправки, тем самым выводя из зацепления резьбовое соединение между развинчивающим соединителем и переводным соединителем. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Расширительное подвесное устройство, содержащее расширительный подвесной цилиндр (1) и клиновую плашку (2), обеспеченную на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра (1), причем клиновая плашка (2) содержит совокупность клиновых блоков (201), расположенных по периферии и имеющих обеспеченные на их поверхностях клиновые зубья (202), и циркуляционный канал (205), образованный между смежными клиновыми блоками (201), при этом два смежных по периферии клиновых блока (201) соединены друг с другом по меньшей мере двумя упруго деформируемыми соединительными ребрами (203), и все клиновые блоки (201) выполнены с возможностью фиксации друг к другу посредством фиксирующего кольца (204), причем расширительное подвесное устройство отличается тем, что оно содержит предохранительный механизм (27), причем предохранительный механизм (27) содержит:

опорную оправку (10), жестко соединенную с расширительной оправкой (9) внутри расширительного подвесного цилиндра (1);

пружинную муфту (12), установленную на опорной оправке (10) через подшипник (11);

развинчивающий соединитель (14), установленный на опорной оправке (10),

причем развинчивающий соединитель (14) выполнен с возможностью скольжения в осевом направлении вдоль опорной оправки (10) и вращения вместе с опорной оправкой (10);

переводной соединитель (15), установленный на наружной стороне развинчивающего соединителя (14) и имеющий резьбовое соединение с развинчивающим соединителем (14); и

пружину (13), расположенную между опорной оправкой (10) и переводным соединителем (15) в радиальном направлении и между пружинной муфтой (12) и развинчивающим соединителем (14) в осевом направлении,

при этом пружинная муфта (12) выполнена с возможностью сжатия пружины (13) в ответ на перемещение опорной оправки (10) вниз до тех пор, пока она не упрется в переводной соединитель (15), а развинчивающий соединитель (14) выполнен с возможностью вращения вместе с вращением опорной оправки (10), тем самым выводя из зацепления резьбовое соединение между развинчивающим соединителем (14) и переводным соединителем (15).

2. Расширительное подвесное устройство по п. 1, отличающееся тем, что соединительные ребра (203) расположены в средней части и нижней части клиновой плашки (2), соответственно, тогда как фиксирующее кольцо (204) обеспечено в верхней части клиновой плашки (2).

3. Расширительное подвесное устройство по п. 2, отличающееся тем, что верхняя часть каждого из клиновых блоков (201) содержит сужающийся участок (208), а фиксирующее кольцо (204) выполнено с возможностью окружения сужающихся участков всех клиновых блоков (201), чтобы фиксировать вместе совокупность клиновых блоков (201).

4. Расширительное подвесное устройство по п. 3, отличающееся тем, что наружные диаметры всех соединительных ребер (203) меньше наружного диаметра клиновых блоков (201) и/или наружный диаметр фиксирующего кольца (204) меньше наружного диаметра клиновых блоков (201).

5. Расширительное подвесное устройство по п. 4, отличающееся тем, что на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра (1) обеспечен уплотнительный цилиндр (3), и причем уплотнительный цилиндр (3) расположен ниже по стволу скважины от клиновой плашки (2) и образован одним или более из резинового цилиндра (301), комбинации резинового цилиндра (301) и трапециевидного металлического кольца (302) и комбинации резинового цилиндра (301) и зубчатого металлического кольца (303).

6. Расширительное подвесное устройство по п. 5, отличающееся тем, что совокупность уплотнительных цилиндров (3) расположена в осевом направлении и с интервалом на наружной поверхности расширительного подвесного цилиндра (1).

7. Расширительное подвесное устройство по п. 6, отличающееся тем, что трапециевидное металлическое кольцо (302) выполнено таким образом, что размер наружной стороны больше, чем размер внутренней стороны, и как трапециевидное металлическое кольцо (302), так и зубчатое металлическое кольцо (303) имеют меньший наружный диаметр, чем наружный диаметр резинового цилиндра (1).

8. Расширительное подвесное устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что развинчивающий соединитель (14) выполнен с левосторонней наружной резьбой, переводной соединитель (15) выполнен с левосторонней внутренней резьбой, а вращение опорной оправки (10) представляет собой вращение по часовой стрелке.

9. Расширительное подвесное устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что полая резиновая пробка (18) обеспечена на расположенном ниже по стволу скважины конце опорной оправки (10); альтернативно, стержень (17) резиновой пробки обеспечен на расположенном ниже по стволу скважины конце опорной оправки (10), а полая резиновая пробка (18) обеспечена на расположенном ниже по стволу скважины конце стержня (17) резиновой пробки.

10. Расширительное подвесное устройство по п. 9, отличающееся тем, что на расположенном ниже по стволу скважины конце переводного соединителя (15) обеспечен хвостовик (16), а внутри хвостовика (16) расположена полая резиновая пробка (18).

11. Расширительное подвесное устройство по любому из пп. 1-7, отличающееся тем, что расширительное подвесное устройство содержит механизм (24) установки клиновой плашки, расположенный выше по стволу скважины от клиновой плашки (2), причем механизм (24) установки клиновой плашки содержит центральную трубу (7), расположенную внутри расширительного подвесного цилиндра (1), верхний расширительный конус (4), находящийся в скользящем в осевом направлении и герметичном зацеплении с центральной трубой (7), гидравлический механизм (6), соединенный с верхним расширительным конусом (4), и гидравлический пусковой узел для приведения в действие гидравлического механизма (6).

12. Расширительное подвесное устройство по п. 11, отличающееся тем, что гидравлический пусковой узел содержит впускное отверстие (601) для жидкости, сообщающееся с внутренней полостью центральной трубы (7), разрывной элемент (602), установленный внутри впускного отверстия (601) для жидкости, и фиксирующий блок (603) для фиксации разрывного элемента (602), при этом разрывной элемент (602) выполнен с возможностью разрыва при заданном давлении, тем самым приводя в действие гидравлический механизм (6) для выполнения установки клиновой плашки (2).

13. Способ заканчивания с применением хвостовика, реализуемый при помощи расширительного подвесного устройства по любому из пп. 1-12, включающий следующие этапы:

этап 1, спуск хвостовика;

этап 2, выполнение операции по циклическому развинчиванию;

этап 3, выполнение цементирования скважины и установки клиновой плашки;

этап 4, выполнение установки подвесного устройства; и

этап 5, выполнение высвобождения и заканчивания скважины.

14. Способ заканчивания с применением хвостовика по п. 13, отличающийся тем, что на этапе 2 буровой инструмент поднимают вверх или прижимают вниз в положении нагрузки в нейтральной точке таким образом, что опорная оправка (10) в предохранительном механизме (27) скользит относительно развинчивающего соединителя (14) до тех пор, пока пружинная муфта (10) не упрется в переводной соединитель (15), а затем опорная оправка (10) приводится во вращение путем вращения бурильной штанги, тем самым приводя во вращение развинчивающий соединитель (14), чтобы вывести из зацепления резьбовое соединение между развинчивающим соединителем (14) и переводным соединителем (15).

15. Способ заканчивания с применением хвостовика по п. 14, отличающийся тем, что на этапе 3 гидравлическое усилие, возникающее при повторном объединении резиновых пробок (20) бурильной штанги посредством смещения, передается на гидравлический механизм (6) механизма (24) установки клиновой плашки, который толкает верхний расширительный конус (4) для перемещения вдоль центральной трубы (7), что приводит к установке клиновой плашки (2).

16. Способ заканчивания с применением хвостовика по п. 15, отличающийся тем, что на этапе 4 расширительный подвесной цилиндр (1) приводят к расширению таким образом, что уплотнительный цилиндр (3) подвесного уплотнительного механизма (25) расширяется и сжимается между расширительным подвесным цилиндром (1) и технической обсадной колонной (21).