Устройство для цементирования обсадных колонн Российский патент 2024 года по МПК E21B33/14 E21B23/10 E21B43/10 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройству для цементирования обсадных колонн большого диаметра 324-508 мм через колонну бурильных труб с вращением и расхаживай и ем в процессе закачки цементного раствор в нефтяных и газовых скважинах, а также может быть использовано для цементирования обсадных колонн меньшего диаметра с вращением и расхаживанием, но без спуска колонны бурильных труб.

Технология цементирования обсадных колонн большого диаметра сопряжена с определенными трудностями.

При цементировании обсадных колонн большого диаметра при поднятии цементного раствора из-за очень медленной скорости подачи цементного раствора и невозможности вращения и расхаживания обсадной колонны за обсадной колонной остаются зоны с невытесненным буровым раствором. В последующем это является причиной появления гидродинамической связи между изолируемыми пластами и возникновению межпластовых перетоков, что может привести к катастрофическим экологическим последствиям, особенно при эксплуатации морских месторождений. Для недопущения этого процесс подъема цемента за обсадной трубой должен быть турбулентным, а скорость его подъема максимальной. Чтобы поток был турбулентным, колонну нужно расхаживать и вращать, а чтобы увеличить скорость закачки цементного раствора, нужно исключить его продавку через трубы большого диаметра 324-508 мм. Для этого предлагается закачивать цементный раствор через бурильные трубы диаметром 89-127 мм, опущенные внутрь обсадной колонны до забоя.

Подачу тампонажного раствора требуется обеспечивать с большим расходом, с привлечением большего количества тампонажной техники, но несмотря на это не достигается необходимая скорость подъема раствора в кольцевом пространстве. Очень важно иметь в виду, что после подачи тампонажного раствора в обсадную колонну начинается самопроизвольное движение жидкостей по стволу скважины вследствие превосходства плотности тампонажного раствора над плотностью промывочной жидкости. Как правило, возникает явление разрыва сплошности потока раствора. Это сопровождается ударами, вызывающими перегрузку колонны, чреватую аварийной ситуацией. Трудности возникают на стадии продавки цементного раствора за обсадную колонну: объемы продавочной жидкости весьма значительны, что требует большого количества технических средств и времени на выполнение этой стадии работ, поэтому приходится добавлять в цементный раствор химические реагенты, замедляющие его застывание. Длительное время застывания цементного раствора (4-5 ч) негативно сказывается и на качестве цементного камня (седиментационные процессы, проявление вскрытых горизонтов и т.д.).

Период затвердевания цемента (ОЗЦ) сопровождается выделением тепла, что недопустимо при строительстве скважин в районах вечной мерзлоты. Поэтому очень важно в этот период интенсивно отводить тепло от зоны кристаллизации цемента. Делается это интенсивной промывкой при помощи подвески бурильных труб.

Известно устройство для цементирования обсадных колонн через колонну труб малого диаметра, содержащее корпус с размещенными в нем цементной и раструбной втулками, ниппельный переходник с уплотнительными элементами, обратный клапан с дросселем и продавочную пробку с сердечником и расположенной на нем манжетами, устройство также снабжено нижней цементировочной пробкой, сердечник которой на верхнем торце имеет торцевые прорези, а сердечник продавочной пробки выполнен со сквозным каналом, нижний конец которого перекрыт эластичным элементом, закрепленным с двух противоположных концов колпачковой гайкой, выполненной с поперечным сквозным каналом, причем ниппельный переходник выполнен с упором для нижней пробки и окнами, размещенными между уплотнительными элементами и расположенными на высоте от упора (см. описание изобретения к а.с. СССР №1002530, Е21В 33/14,опубл. 07.03.1983).

Основным недостатком этого устройства является отсутствие возможности контроля межтрубного пространства при закачке цемента, продавки и промывке скважины и ожидании затвердевания цемента (ОЗЦ).

Кроме того, недостатками этого устройства являются необходимость перемещать в осевом направлении колонны бурильных труб малого диаметра с ниппельным переходником в процессе цементирования колонн, а также большая вероятность возникновения избыточных осевых нагрузок при посадке колонны труб малого диаметра в раструбную втулку башмачной части обсадной колонны, что может привести к их разрушению, а возможность повреждения уплотнительных элементов при спуске может привести к негерметичности соединения узлов, и, как следствие, к прихвату нижней части бурильной колонны. При этом на буровой необходимо иметь большое количество подгоночных патрубков для точной установки устройства.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для цементирования обсадных колонн большого диаметра, содержащее башмачный узел, стыковочный инструмент и продавочную (проходную) пробку, при этом башмачный узел содержит корпус с размещенными в нем цементным стаканом с посадочной втулкой и обратным клапаном с дросселем, а стыковочный инструмент содержит шток с уплотнительными элементами, в средней части штока выполнены циркуляционные радиальные отверстия, нижняя часть штока снабжена упором для посадки продавочной пробки (см. описание изобретения к патенту RU №2580556, МПК E21B 33/14, опубл. 10.04.2016).

Основным недостатком ближайшего аналога является необходимость подбора подгоночных патрубков для установки цементировочной головки, негерметичность межтрубного пространства и отсутствие контроля межтрубного пространства в процессе цементирования и ОЗЦ.

Технической проблемой, решение которой обеспечивается заявляемым изобретением, является создание устройства для цементирования обсадных колонн, которое бы повысило качество крепления обсадных колонн при строительстве скважин, в частности качество цементного камня, упростило технологические операции и повысило безопасность при цементировании колонн, сократило время на процесс цементирования и количество тампонажной техники.

Технический результат изобретения заключается в появлении возможности вращать и расхаживать колонну обсадных и бурильных труб, контролировать процесс цементирования, прямой и обратной промывки, герметизировать и контролировать межтрубное пространство, исключить прихват бурильного инструмента и необходимость использования подгоночных патрубков.

Технический результат достигаются тем, что устройство для цементирования обсадных колонн, содержащее башмачный узел, бурильные трубы с соединительными переводниками и проходной пробкой, согласно изобретению устройство дополнительно содержит разъемный фланец 1, жестко соединенный с монтажным переводником 2, установленным в верхней части обсадной трубы 4 на устье скважины, подвесную пробку 5 и устройство для подвески бурильных труб 7, при этом подвесная пробка 5 выполнена в виде патрубка 9 с закрепленными на нем секциями 12, разделенными разделителями 13, и расположена в кожухе 10, при этом кожух 10 соединен посредством срезных штифтов 11 с соединительным переводником 8 бурильной трубы 7, а подвесная пробка 5 соединена с переводником 8 посредством штифтов 14; башмачный узел 6 содержит направление 15 с отверстиями для выхода цементного раствора, два обратных клапана 16, расположенных над направлением 15, и стоп-кольцо 17, установленное между торцами смежных обсадных труб 4, расположенных над двумя обратными клапанами 16; устройство для подвески бурильных труб выполнено съемным и содержит корпус из переводника 18, кожуха 19, крышки корпуса 23 с уплотнительным узлом 21, патрубка 28 для контроля межтрубного пространства и вымывания остатком цемента, подшипникового узла 22, переводника 24 и переводника 25, причем в последнем размещена цементировочная головка 26, выполненная в виде патрубка, внутри которого размещена проходная пробка 29, при этом подшипниковый узел 22 соединен с бурильной трубой 7 посредством переводника 24 и с цементировочной головкой 26 переводником 25.

При этом согласно изобретению подшипниковый узел 22 может быть выполнен в виде двухрядного опорного подшипника, размещенного в обойме 20 в кожухе 19.

При этом согласно изобретению секции корпусов подвесной и проходной пробок 5 и 29 могут быть изготовлены из алюминия.

При этом согласно изобретению разделители 13 патрубка 9 могут быть изготовлены из резины.

При этом согласно изобретению стоп-кольцо 17 может быть изготовлено из алюминия.

При этом согласью изобретению внутренние части обратных клапанов могут быть изготовлены из алюминия.

При этом согласно изобретению направление 15 башмачного узла 6 может быть выполнено из алюминия.

Предлагаемое устройство для цементирования обсадных колонн иллюстрировано чертежами, где: на фиг. 1 изображено продольное сечение компоновки низа бурильной колонны в транспортном положении и монтажного переводника с разъемным опорным монтажным фланцем; на фиг. 2 - изображено продольное сечение устройства для подвески бурильных труб с цементировочной головкой и захватом под элеватор; на фиг. 3 - изображено продольное сечение башмачного узла; на фиг. 4 изображено продольное сечение компоновки низа бурильной колонны перед закачкой цемента; на фиг. 5 - изображено продольное сечение башмачного узла в момент - «стоп».

Устройство для цементирования обсадных колонн содержит разъемный опорный монтажный фланец 1, жестко соединенный с монтажным переводником 2, установленным в верхней части (например, в верхней муфте 3) обсадной трубы 4 на устье скважины, подвесной пробки 5, башмачного узла 6 и устройства для подвески бурильных труб 7 (фиг. 1, 3).

На ниппельном конце бурильной трубы 7 навернут соединительный патрубок 8, нижний конец которого соединен с подвесной пробкой 5 (фиг. 1).

Подвесная пробка 5 выполнена в виде патрубка 9 с закрепленными на нем секциями 12, разделенными разделителями 13, и расположена в кожухе 10 (фиг. 1). Кожух 10 соединен посредством срезных штифтов 11 с соединительным переводником 8 бурильной трубы 7, а подвесная пробка 5 соединена с переводником 8 посредством штифтов 14 (фиг. 1, 2).

Патрубок 9 пробки 5 выполнен в виде отдельных секций 12, которые могут быть изготовлены из алюминия, разделенных разделителями 13, которые могут быть изготовлены из резины (фиг. 1).

При цементировании после срезки защитного кожуха 10 подвесная пробка 5 выполняет функцию манжетного пакера.

Башмачный узел 6 содержит направление 15 с отверстиями для выхода цементного раствора (промывочными отверстиями) (на чертеже не показаны), два обратных клапана 16, расположенных над направлением 15, и стоп-кольцо 17, установленных между торцами смежных обсадных труб 4, расположенных над двумя обратными клапанами 16 (фиг. 3).

Устройство для цементирования обсадных колонн дополнительно содержит устройство для подвески бурильных труб, обеспечивающего возможность вращения обсадных труб 4 во время закачки цементного раствора, создания турбулентного потока цементного раствора за обсадными трубами 4 и разрушения застойных зон во время их вращения, а также герметизацию и контроль межтрубного пространства.

Устройство для подвески бурильных труб выполнено съемным и содержит корпус из переводника 18, кожуха 19, крышки корпуса 23 с уплотнительным узлом 21, патрубка 28 для контроля межтрубного пространства и вымывания остатком цемента, подшипникового узла, переводника 24 и переводника 25. Подшипниковый узел 22 может быть выполнен в виде двухрядного опорного подшипника, размещенных в обойме 20 кожуха 19 (фиг. 2).

В цементировочной головке 26 размещен патрубок 30 для подачи цементного раствора, патрубок 31 для подачи продавочного раствора и цементировочная головка 26 (фиг. 2). Головка 26 выполнена в виде патрубка, внутри которого размещена проходная пробка 29 между патрубком 30 для подачи цементного раствора и патрубком 31 для подачи продавочного раствора. Подшипниковый узел соединен с бурильной трубой 7 посредством переводника 24 и с цементировочной головкой 26 переводником 25 (фиг. 2).

Корпус снабжен патрубком 28, предназначенным для контроля межтрубного пространства в процессе цементированияи для вымывания остатков цемента после получения момента «стоп» (фиг. 2).

На переводник 25 установлена цементировочная головка 26. Цементировочная головка 26 выполнена в виде патрубка, внутри которого зафиксирована посредством фиксатора 33 проходная пробка 29, расположенная между двух патрубков 30 и 31 цементировочной головки 26, нижнего для подачи цементного раствора и верхнего для закачивания продавки (фиг. 2).

Выше верхнего патрубка 31установленподъсмный патрубок 32 и захваты под элеватор (захваты под элеватор на чертеже не показаны).

Устройство для цементирования обсадных колонн работает следующим образом.

Обсадную трубу 4 диаметром 324-508 мм спускают в скважину с установкой башмачного узла 6 и двух обратных клапанов 16 через 2-3 трубы от верхнего обратного клапана, устанавливают стоп-кольцо 17 (фиг. 3). Обсадную трубу 4подвешивают на клиньях или спайдер (клинья или спайдер на чертеже не показаны). Устанавливают монтажный переводник 2 и опорный монтажный фланец 1 в верхней муфте 3 обсадной трубы 4 на устье скважины. Спускают колонну бурильных труб 7 в предварительно спущенную колонну обсадных труб 4 с разделительной подвесной пробкой 5, в защитном кожухе 10.

Спуск бурильных труб 7 и разделительной подвесной пробки 5 ведут до срезки срезных штифтов 11. Затем подвесную пробку5 спускают ниже стоп-кольца 17, при этом подвесная пробка 5 приобретает функцию манжетного пакера (фиг. 1, 4). Точная глубина установки пакера не имеет значения, поэтому спуск ведут с точностью до 1 свечи, чтобы исключить использование допускных патрубков.

Затем демонтируют опорный монтажный фланец 1 и устанавливают устройство для подвески бурильных труб в переводнике 2 при помощи патрубка 27.

Устройство для подвески бурильных труб выполнено съемное и предназначено для подвески колонны бурильных труб 7, обеспечивая при этом возможность вращения обсадных труб 4 во время закачки цементного раствора, создавая турбулентный поток цементного раствора за обсадной трубой 4 и разрушая застойные зоны. Это позволяет повысить качество крепления обсадных колонн большого диаметра при строительстве скважины, в частности качества цементного камня, а также обеспечить герметизацию и контроль межтрубного пространства, упростить технологические операции и повысить безопасность при цементировании скважин.

Для закачки цементного раствора на переводник 25 устанавливают цементировочную головку 26 с установленной в пей проходной пробкой 29.

После спуска бурильных труб 7 с подвесной пробкой 5 и наворота устройства для подвески бурильных труб на спущенную в обсадную трубу 4 бурильную трубу 7 осуществляют цементирование - закачку цементного раствора через патрубок 30. Прокачивают необходимое количество цементного раствора, перекрывают патрубок 30, открывают патрубок 31 и снимают фиксатор 33, освобождают проходную пробку 29 и начинают закачивать продавочный раствор.

При посадке проходной пробки 29 в подвесную пробку 5 происходит срез срезных штифтов 14, а при посадке обеих пробок (подвесной пробки 5 и проходной пробки 29) на обратные клапаны 16 получают момент «стоп» (фиг. 5).

После проверки герметичности обратных клапанов 16, промывают скважину через патрубок 28 в течение 1,5 циклов и оставляют на ОЗЦ.

Демонтаж устройства для подвески бурильных труб производят после ОЗЦ. Вращение обсадной колонны 4 в процессе закачки цементного раствора производят с помощью ротора (на чертеже не показан), вращая обсадную колонну вправо ротором, предварительно ослабив нажимную крышку 23 уплотнительного узла 21.

Преимуществами заявляемого изобретения являются:

- вращать и расхаживать колонну обсадных и бурильных труб;

- контролировать процесс цементирования, возможность прямой и обратной промывки;

- герметизировать межтрубное пространство, контролировать его, тем самым обеспечивая безопасность процесса;

- исключение возможности прихвата бурильного инструмента, отсутствие стыковочного устройства;

- отсутствие необходимости использования подгоночных патрубков.

В отличие от прототипа, предлагаемое устройство содержит монтажный переводник 2 с опорным монтажным фланцем 1, что упрощает спуск и подъем бурильных труб 7, а также устройство для подвески бурильных труб 7 позволяющее:

- двухрядный подшипник 22 позволяет вращать как бурильные трубы 7, так и обсадные трубы 4, облегчает монтаж предлагаемого устройства для подвески бурильных труб на устье скважины.

- система подвесная пробка 5 плюс проходная пробка 29 позволяет надежно вытеснять и разделять цементный и буровой раствор, исключить их перемешивание и полностью вытеснять цементный раствор из внутреннего пространства бурильных и обсадных труб 7 и 4 соответственно.

Сердечники подвесной и проходной пробки 5 и 29, стон-кольцо 17, обратные клапаны 16 и башмачный узел 6 могут быть изготовлены из алюминия, что позволяет легко нормализовать ствол скважины.

Устройство для подвески бурильных труб универсально для всех колонн 324 - 508 мм с любой толщиной стенки и различной резьбой и монтируется при помощи монтажного переводника 2.

Изобретение относится к устройству для цементирования обсадных колонн. Технический результат заключается в появлении возможности вращать и расхаживать колонну обсадных и бурильных труб, контролировать процесс цементирования, прямой и обратной промывки, герметизировать и контролировать межтрубное пространство, исключить прихват бурильного инструмента и необходимость использования подгоночных патрубков. Устройство содержит башмачный узел, бурильные трубы с соединительными переводниками и проходной пробкой. Устройство дополнительно содержит разъемный фланец, жестко соединенный с монтажным переводником, установленным в верхней части обсадной трубы 4 на устье скважины. Также устройство содержит подвесную пробку и устройство для подвески бурильных труб. Подвесная пробка выполнена в виде патрубка с закрепленными на нем секциями, разделенными разделителями, и расположена в кожухе. Кожух соединен посредством срезных штифтов с соединительным переводником бурильной трубы. Подвесная пробка соединена с переводником посредством штифтов. Башмачный узел содержит направление с отверстиями для выхода цементного раствора, два обратных клапана, расположенных над направлением, и стоп-кольцо, установленное между торцами смежных обсадных труб, расположенных над двумя обратными клапанами. Устройство выполнено съемным и содержит корпус из переводника, кожуха, крышки корпуса с уплотнительным узлом. Также устройство содержит патрубок для контроля межтрубного пространства и вымывания остатков цемента. Также устройство содержит подшипниковый узел. А также устройство содержит переводники. В верхнем переводнике размещена цементировочная головка, выполненная в виде патрубка. Внутри патрубка размещена проходная пробка. Подшипниковый узел соединен с бурильной трубой посредством переводника и с цементировочной головкой переводником. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для цементирования обсадных колонн, содержащее башмачный узел, бурильные трубы с соединительными переводниками и проходной пробкой, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит:

разъемный фланец 1, жестко соединенный с монтажным переводником 2, установленным в верхней части обсадной трубы 4 на устье скважины, подвесную пробку 5 и устройство для подвески бурильных труб 7, при этом подвесная пробка 5 выполнена в виде патрубка 9 с закрепленными на нем секциями 12, разделенными разделителями 13, и расположена в кожухе 10, при этом кожух 10 соединен посредством срезных штифтов 11 с соединительным переводником 8 бурильной трубы 7, а подвесная пробка 5 соединена с переводником 8 посредством штифтов 14;

башмачный узел 6 содержит направление 15 с отверстиями для выхода цементного раствора, два обратных клапана 16, расположенных над направлением 15, и стоп-кольцо 17, установленное между торцами смежных обсадных труб 4, расположенных над двумя обратными клапанами 16;

устройство для подвески бурильных труб выполнено съемным и содержит корпус из переводника 18, кожуха 19, крышки корпуса 23 с уплотнительным узлом 21, патрубка 28 для контроля межтрубного пространства и вымывания остатков цемента, подшипникового узла 22, переводника 24 и переводника 25, причем в последнем размещена цементировочная головка 26, выполненная в виде патрубка, внутри которого размещена проходная пробка 29, при этом подшипниковый узел 22 соединен с бурильной трубой 7 посредством переводника 24 и с цементировочной головкой 26 переводником 25.

2. Устройство для цементирования обсадных колонн по п. 1, отличающееся тем, что подшипниковый узел 22 выполнен в виде двухрядного опорного подшипника, размещенного в обойме 20 в кожухе 19.

3. Устройство для цементирования обсадных колонн по п. 1, отличающееся тем, что секции корпусов подвесной и проходной пробок 5 и 29 изготовлены из алюминия.

4. Устройство для цементирования обсадных колонн по п. 1, отличающееся тем, что разделители 13 патрубка 9 изготовлены из резины.

5. Устройство для цементирования обсадных колонн по п. 1, отличающееся тем, что стоп-кольцо 1 7 изготовлено из алюминия.

6. Устройство для цементирования обсадных колонн по п. 1, отличающееся тем, что внутренние части обратных клапанов изготовлены из алюминия.

7. Устройство для цементирования обсадных колонн по п. 1, отличающееся тем, что направление 15 башмачного узла 6 выполнено из алюминия.