Колонная подвеска Советский патент 1988 года по МПК E21B33/14 E21B33/12 E21B43/10 

/S

4:

О СО

сд

; Изобретение относится к горной промыш- лённости, а именно к нефтегазодобываю- |щей, и может быть использовано для под- 1вески нижних секций обсадных колонн, летучек и хвостовиков при их цементировании.

Цель изобретения - повышение надеж- :ности работы устройства путем повышения {неЬуплей способности цементного уплотнения при сжатии.

На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 -разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - график зависимости относительной деформации цементного раствора от давления; на фиг. 4 - расчетная схема к определению количества выступов на верхней части фильтра.

Колонная подвеска содержит полый цилиндрический корпус 1 с радиальными отверстиями 2 в нижней его части, перекрытыми полыми разрушаемыми пальцами 3, |фильтр 4, установленный на наружной Поверхности корпуса 1 с образованием. между ними кольцевой полости 5, бурт 6, соединяющий верхнюю часть фильтра с кор- InycoM 1. В бурте 6 выполнены отверс- :тия 7, соединяющие кольцевую полость с внешним пространством, в которых .установлены фильтрующие элементы 8. Фильтр состоит из нижней цилиндрической части 9., Средней части 10 в виде усеченного ко- |нуса с меньшим основанием внизу, причем |угол между образующей усеченного конуса и осью корпуса равен от 0°40 до 3°00f верхней части 11 в виде цилиндра с фигурными выступами 12, внешний контур которых описывается логарифмической спиралью. В верхней и средней частях фильтра выполнены пазы 13 с углублением до внешнего контура нижней части фильтра. На верхнем торце корпуса выполнен переходник 14, а на нижнем - переходник 15 для соединения устройства с колонной заливочных и обсадных труб. Фильтр закреплен на корпусе с помощью шпилек 16.

Колонную подвеску как составной элемент обсадной колонны устанавливают в открытой или обсаженной части ство.ча. В конце цементирования продавочной пробкой разрушают пальцы 3 (см. фиг. ). После схождения пробки с упорным кольцом (момент «стоп) внутри труб снижают давление до гидростатического. Вследствие этого на фильтре колонной подвески возникает перепад давления как разность давлений столбов тампонажного раствора за колонной и более легкой продавочной жидкости внутри-колонны.

Под действием перепада давления цементный раствор фильтруется, причем твердые частицы задерживаются на фильтре 4, образуя цементное уплотнение, а фильтрат отводится через отверстия 2 в колонну. При последующем перемещении колонны вниз происходит сжатие цементного уплотнения, защемленного между конусной частью фильтра и стенками ствола сКважины или предыдущей обсадной колонны. При этом свободный отток фильтрата вверх обеспечива- ется через фильтрующие элементы 8 в бурте 6. Вследствие резкого повыщения несущей способности цементного уплотнения колонна зависает на стенках открытой или обсаженной скважины.

После полной передачи веса колонны

0 на цементное уплотнение производят отворот бурильных труб в левой резьбе разъединительного устройства. При этом фигурные выступы на верхней цилиндрической части 11 фильтра 3 по аналогии с конусом сжимают

цементное уплотнение, защемленное между этими выступами и стенками скважины. Несущая способность этого уплотнения возрастает, благодаря чему обеспечивается необходимый для отворота труб крутящий момент.

0 Скважину промывают до .выхода остатков буферных и тампонажных растворов на устье, бурильные трубы поднимают на поверхность.

Технология подвески обсадной колонны предусматривает перемещение последней Ьниз. При этом конусная, часть устройства входит в цементное уплотнение, сформированное на нижнем участке составного фильт-. ра. Подвеска осуществляется тем надежнее, чем выше прочность этого уплотнения.

Q Экспериментально установлено (табл. 1), что высокая прочность цементного уплотнения на нижнем участка фильтра достигается в том случае, если показатель фильтрации по этому участку в 2 и более раза выше соответствующего показателя по

5 верхнему и среднему участкам (составные фильтры N 3--5).

Колонная подвеска по основным геометрическим параметрам должна отвечать ряду требований. Углы между образующей и осью

0 конуса с пазами на верхней и средней частях составного фильтра и без них определены на основе эксаериментов в специальном стенде, имитирующем основные .элементы колонной подвески в скважине. Продольные пазы изготовлены с уг.тублением

до внешней поверхности нижней части составного фильтра. После обезвоживания цементного раствора на составном фильтре под давлением 1 кгс/см (минимальным избыточным давлением, возможным в сква

., жине) фильтр выталкивали из цилиндра/с измерением силы выталкивания. Результаты измерений приведены в табл. 2.

На примеру обсадных труб диаметром 146 мм колонная подвеска должна воспринимать нагрузку не менее 2000 кгс. В этих 5 условиях на конусе подвески развивается удельная осевая нагрузка 18,3 кгс/см-. В стенде, имитирующем подвеску, условная площадь конуса 108 см -. Следовательно, в эксперименте конус и уплотняемое под ним цементное тесто должны выдерживать осевую выталкивающую нагрузку не менее 1970 кгс. По данным табл. 2 видно, что наибольшая выталкивающая сила (более 1000 кгс) отмечается по конусам с углом между образующими и осями 0°40 -3°00 Но обоснованная расчетом нагрузка (округленно свыше 2000 кгс) развивается по тем же конусам с продольными пазами, обеспечивающими более равномерное поступление цементного раствора к различным участкам составного фильтра.

Для определения размеров конуса необходимо знать относительные деформации цементного теста при сжатии. Экспериментально в компрессионном приборе установлено, что при обезвоживании под действием минимального избыточного давления 1 кгс/см, возможного в скважине в неблагоприятных условиях, достигается относительная деформация (начальная), равная 0,25, т.е.

ем УИСХ-Уу

V НСХ

0,25,

где Viicx - исходный объем цементного раствора между цилиндрическим фильтром подвески и стенкой скважины;

Vy - объем цементного раствора, обезвоженного на фильтре под давлением 1 кгс/см.

в процессе посадки конусной части подвески в цементное тесто последнее испытывает доуплотнение под действием радиального давления, достигающего наибольшего значения. В компрессионном приборе использовано давление 150 кгc/cм, при этом достигнута относительная деформация, равная 0,39.

По графику 1, фиг. 3, величина с увеличением давления сжатия Р по экспоненте стремится к своему пределу е. В первом приближении график 1 можно выразить зависимостью:

Р c.g,(2)

где сип - коэффициенты параболической функции.

По трем показателям е при давлении сжатия 50, 100 и 150 кгс/см находим значение сип. Формула (2) приобретает вид:

Рсж 22,(3)

Принимая за давление сжатия наибольшее значение 300 кгс/см, возможное в скважине, по формуле (3) находим

e fc 0,415.(4)

Вместе с тем предельная деформация 8 выражается зависимостью

и -V;fe

V (5)

Vft - объем цементного теста, обезвоженного на фильтре при максимальном давлении 300 кгс/см. Дополнительная относительная деформа- ция 8 на фильтре при повышении давления с 1 до 300 КГС/СМ , т.е. вследствие сжатия цементного теста конусом, выражается зависимостью

10

Eft V

Подставляя значения V и Vs из фор.мул ( и (5) в формулу (6), находим

15

S е.-Е

(7)

20

25

30

и (4)

С учетом значений

ек 0,22.(8)

Эксперименты, выполненные в различны.х условиях и с применением тампонажнь х цементов, отличающихся сроками хранения и составом, свидетельствуют о непостоянстве величины е (график 2, фиг. 3). В расчетах колебания этой величины учитываются коэффициентом К, равным 1,00-1,23.

В случае использования цементных растворов, приготовленных из тампонажных порт- ландцементов со сроком хранения до 3 мес, затворенных на воде с температурой 20°С и выше, коэффициент приближается к единице, в других случаях - больше единицы, а со сроками хранения свыше 1 года - 1, 23. Таким образом, фор.мулу (8) можно ппрдста- вить в виде: 4 К-0,22.(9)

Единичный объем обезвоженного на фильтре цементного раствора Vy равен

Vy 0,785-(.),(10)

где dc и d - диаметры скважины и меньшего основания конуса. После перемещения подвески на расчет- ную величину обезвоженная масса доуплот- няется. Конечный единичный объем уплотнения VK равен

VK 0,785-(),(11)

где de - диаметр большего основания конуса.

Подставляя значения (10), (11) и (9) в формулу (6), находим

d«-rf К-0,22.

:i2)

df-d

Размеры конуса колонной подвески рас- считывают следующим образом.

Исходные да.нные: dc 190 мм; do 178 мм (наибольший диаметр, допустимый из условия прохождения подвески по стволу скважины); К 1,23.

Подставляя значения dc и dc в форму.чу (12), находим d 174 мм.

Угол между образующей конуса и осью корпуса подвески принимается равным 1°00 Тогда высота конуса равна

j

uС1бQM. . .

.

Угол между касательной к кривой, описываемой радиусом-вектором р(ср) (фиг. 4), и самим радиусом-вектором определяется формулой

(13)

-47Гф s

Расчет кривой, характеризуюш.ей внешний контур поперечного сечения верхней части фильтра, начинают с определения угла а по формуле (22), в которой значения а, Ь и () регламентированы из конструктивных соображений. При этом величина а не должна превышать некоторого критического значения акр. По формуле (18) находим константу ро при условии, что Ф-фо 0;

Изобретение относится к области горной пром-ти и позволяет повысить надежность работы путем повышения несущей способности цементного уплотнения при сжатии. Подвеска включает полый цилиндрический корпус 1 с радиальными отверстиями 2 внизу, перекрытыми полыми разрушаемыми пальцами 3. Снаружи корпуса 1 установлен составной фильтр 4 с образованием между ними кольцевой полости 5. Бурт 6 подвески имеет отверстия 7, в которых размещены фильтрующие элементы 8. Нижняя часть 9 фильтра 4 выполнена в виде цилиндра, средняя 10 - в виде усеченного конуса с меньшим основанием внизу, верхняя 11 - в виде цилиндра с фигурными выступами. Их внешний контур описывается логарифмической спиралью. Вдоль образующей верхней части 11 фильтра 4 в верхней и нижней его частях выполнены пазы с углублением до внешнего контура части 9. Проницаемость частей 11 и 10 в два и более раза меньще, чем у части 9. Подвеску устанавливают в открытой части ствола и цементируют.После схождения пробки с упорным пальцем давление снижают. Под действием перепада давления цементный раствор фильтруется. При перемещении колонны вниз происходит сжатие цементного уплотнения. Вследствие резкого повыщения его несущей способности колонна зависает на стенках скважины. Производят отворот бурильных труб. 4 ил., 2 табл. i (Л

откуда

Ф

pctg ц.

(14)

Работа, совершаемая фигурными выступами, идентична работе конуса, внедряемо- го в цементное тесто. Это означает, что конфигурация выступа должна отвечать условию постоянства угла а, и, следовательно, угла 1 в любой точке кривой, представляющей внешний контур выступа в поперечном сечении.

Принимая ctg i с и разделяя пе ременные в уравнении (14), в интеграль ной форме находим

f .9

S|-dp Scd(p.(15)

f , 9,

Решив это уравнение получим

р р.е (-«)-(16)

Формула (16) является математическим выражением логарифмической спирали. Та- КИМ образом, можно утверждать, что угол ц постоянен только тогда, когда внешний контур выступа выполнен в виде логарифмической спирали.

По фиг. 4 видно, что, s;

а |- - ц, следовательно,

c tga.(17)

С учетом выражения: (17) формулу (16) перепишем в виде:

р рое

(ip-SPojtgct

48)

В предельных значениях р, т.е. при условии, что,

f) а;, р Б;

а

;19)

b ро-еч - а: -(20)

Частное от деления выражений b и а из формул (20) и (19) равно

-f- ) ,(21)

Логарифмируя выражение (21), находим

1п ()tga,

откуда

а arctg f;), .

Vb-fu

(22)

р р.е - ро Ь, откуда

р ь-е -

(23)

С учетом известного угла а по формуле (23) находим значения текущего радиуса р.

Расчет фигурных выступов на верхней части фильтра осуществляют следующим образом.

Исходные данные: фильтр смонтирован на цилиндрическом корпусе наружным диаметром 146 мм с тремя фигурными выступами. Следовательно фв-фа 120°

2л -д- (рад). Для скважины с номинальным

диаметром 190,5 мм наибольший диаметр фильтра по выступам с точки зрения проходимости по стволу не должен превышать 178 мм, т.е. а 89 мм. Наименьший диаметр фильтра по впадинам между выступами принимается равным 167 мм, поскольку этим обеспечивается минимально допустимая толщина стенки элемента в пределах 5 мм. Отсюда b 83,5 мм.

формуле (22J нaxoдим

a arctg «fV-- 1°46 . Из формулы (23)

р 83,5 ) «

или

р 83,5е °- «« - Изменяя значения ф;(рад), находим ве- отрезков р,- (5):

2л/3 89,0

л/287,5

л/386,0

л/485,2

л/684,6

О83,5

По полученным данным осуш.ествляется построение кривой.

Применение предлагаемого устройства способствует герметизации затрубного пространства в верхней части спущенной ко- лонны и повышает надежность подвески колонны на цементном камне. С его помощью обеспечивается отворот труб, на которых производится спуск обсадной колонны.

Формула изобретения

кольцевую полость с внешним пространством, а фильтр выполнен составным, ярн- чем нижняя часть выполнена в виде цилиндра, средняя - в виде усеченного коКолонная подвеска для хвостовиков и нижних секций обсадных колонн, включающая полый цилиндрический корпус с ради- нуса с меньшим основанием внизу и углом альными отверстиями в нижней его части,между образующей усеченного конуса и осью

корпуса 0°40-3°00 верхняя - в виде цилиндра с фигурными выступами, внешний

перекрытыми полыми разрушаемыми пальцами, фильтр, установленный на наружной поверхности корпуса с образованием между ними кольцевой полости, и бурт, соеднняюконтур поперечного сечения которых описывается логарифмической спиралью, при

щий верхнюю часть фильтра с корпусом, этом вдоль образующей верхней части фильт- отличающаяся тем, что, с целью повы-ра в верхней и средней его частях выполнены пазы с углублением до внешнего контура нижней части фильтра, а проницаец |ения надежности работы путем повышения несушей способности цементного уплотнения при сжатии, она снабжена фильтрующимость верхней и средней частей фильтра в

ми элементами, установленными в выпол- 15 Д более раза меньше проницаемости ненных в бурте отверстиях, соединяющихнижней части фильтра.

Таблица 1

п отношение показателей фильтрации по нижней части -фильтра к показателям по верхней-и средней-ча етя.Таблица 2

кольцевую полость с внешним пространством, а фильтр выполнен составным, ярн- чем нижняя часть выполнена в виде цилиндра, средняя - в виде усеченного ко нуса с меньшим основанием внизу и углом между образующей усеченного конуса и осью

контур поперечного сечения которых описывается логарифмической спиралью, при

этом вдоль образующей верхней части фильт- ра в верхней и средней его частях вымость верхней и средней частей фильтра в

/3

0,50 r

O.UO

0,50

0.Q

О.Ю

a JO 20

50WO/50

Ладление a цеменггн/г/й pacmSo/}, nrc/CM

Фиг 2

.Z

сригЛ