Устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны Советский патент 1992 года по МПК E21B33/14 

Изобретение относится к горной промышленности, а точнее к креплению скважин, в частности к устройствам для цементирования обсадных колонн.

Известно устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны, включающее полый корпус с выполненными в нем цементировочными отверстиями на двух уровнях ниже и выше середины герметизации заколонного пространства, втулку, зафиксированную штифтами внутри корпуса с возможностью осевого перемещения и выполненную с циркуляционными каналами, причем герметизатор заколонного пространства выполнен в виде гидравлического

пакера из ствола и размещенного на его наружной поверхности уплотнительного элемента, жестко закрепленного на корпусе, ниже и выше которых в стволе выполнены в два уровня радиальные отверстия, причем ствол соединен с переводником и образует с корпусом кольцевую полость, при этом втулка выполнена с центральным каналом и имеет упор 1.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции, что снижает надежность герметизации заколонного пространства скважины. Кроме того, устройство не обеспечивает сомозаполнение второй ступени обсадной колонны. Из-за образова

4 ЧЭ VJ

Ь

ния воздушных пробок в трубном пространстве в процессе операции долива с последующей промежуточной промывкой происходит сжатие и растворение воздуха в буровом растворе. А уже при наличии газированного раствора в скважине и выходе аэрированного раствора в заколонном пространстве может возникнуть предаварийная ситуация.

Известно также устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны, включающее полый корпус с цементировочными отверстиями верхнего и нижнего уровней, герметизатор заколонного про- транства, помещенный снаружи корпуса, нижнюю втулку с посадочным седлом в верхней части, зафиксированную в корпусе на срезных элементах и выполненную с цементировочными каналами против цементировочных отверстий корпуса верхнего и нижнего уровней, и верхнюю втулку, помещенную в корпусе на срезных элементах над нижней втулкой 2.

Недостатком этого устройства является невысокая надежность герметизации заколонного пространства скважины упругой манжетой ввиду возможной поломки верхней ее части при подъеме или расхаживании обсадной колонны в процессе спуска, вместе с тем верхняя часть манжеты создает дополнительные сопротивления перетоку вытесняемой промывочной жидкости в кольцевом пространстве, следовательно, вызывает повышенную репрессию на нижележащие пласты, а также недостаточной уп- лотняющей способности, особенно нижней частью манжеты по окончании процесса цементирования. В результате чего полное гидростатическое давление тампонажного раствора обеих ступеней скажется на ухудшении коллекторских свойств продуктивных пластов против первой ступени, возможно приведет к их гидроразрыву, некачественному цементированию - заколон- ным перетокам жидкостей и газов.

Поскольку нижняя часть упругой манжеты в транспортном положении зафиксирована относительно корпуса (в противном случае возможна быстрая ее поломка), вытесняемая промывочная жидкость при спуске второй ступени движется лишь по затрубному пространству, следовательно, повышается скорость подъема жидкости. Значительная разница в скоростях подъема промывочной жидкости в процессе бурения и спуске обсадной колонны является одной из причин осложнений, связанных с недоводкой обсадной колонны до конечной глубины.

Кроме того, возможен непосредственный прорыв жидкостей и газов через недостаточно уплотняющие резиновые кольца втулок вследствие утраты герметизирующих свойств (срез, срыв, задиры и др.) при перемещении втулок вниз или в процессе

- эксплуатации скважины (температурное расширение, разьедание и др.). В результате чего возникнут межколонные перетоки скважинной жидкости и пластовых флюидов.

0 Цель изобретения - повышение надежности герметизации заколонного пространства скважины и спуска обсадной колонны до конечной глубины.

Поставленная цель достигается в ре5 зультате того, что оно снабжены нижним и верхним подпружиненными кольцевыми поршнями, нижняя втулка выполнена с осевым каналом, дополнительным посадочным седлом в нижней части под бросовый запор0 ный элемент и эластичной кольцевой диаф- рагмой над посадочным седлом, а герметизатор заколонного пространства выполнен в виде гидравлического пакера, ствол которого выше и ниже уплотнительно5 го элемента выполнен с радиальными отверстиями и образует с корпусом нижнюю и верхнюю кольцевые полости, при этом в последних размещены соответствующие подпружиненные кольцевые поршни, нижний

0 из них зафиксирован относительно ствола срезными элементами, их надпоршневые пространства сообщены с цементировочными отверстиями нижнего и верхнего уровней, а подпоршневые пространства - с

5 заколонным пространством соответственно ниже и выше гидравлического пакера.

На фиг.1 представлен продольный разрез устройства для ступенчатого цементирования обсйдной колонны в транспортном

0 положении; на фиг.2 4- то же, в процессе герметизации заколонного пространства скважины; на фиг.З - то же в процессе цементированная первой ступени обсадной колонны; на фиг.4 - положение узлов уст5 ройства в процессе цементирования второй ступени обсадной колонны; на фиг.5 - положение узлов устройства по окончании цементирования.

Устройство для ступенчатого цементи0 рования обсадной колонны состоит из по-лого корпуса 1 с цементировочными

отверстиями 2 и 3 соответственно нижнего

и верхнего уровней. Нижняя 4 и верхняя 5

втулки уста нов лены в корпусе 1 с возможно5 стью осевого перемещения вниз и зафиксированы штифтами б и 7. В верхней части нижней втулки 4 имеется посадочное седло 8 под запорный элемент 9. Нижняя втулка 4 выполнена с цементировочными каналами 10 и 11, совмещенными соответственно с

нижним 2 и верхним 3 уровнями отверстий корпуса 1. Кроме того, нижняя втулка 4 имеет осевой канал 12, дополнительное посадочное седло 13 в нижней части под бросовый запорный элемент 14 (шар) и удерживаемую кольцами 15 эластичную кольцевую диафрагму 16 над посадочным седлом 13. Посадочные седла 8 и 13 относительно нижней втулки могут фиксироваться резьбой 17. Внутри корпуса 1 под нижней втулкой 4 установлены срезные элементы 18, позволяющие остановить верхний торец 19 втулки 4 на нижней образующей 20 верхнего уровня цементировочных отверстий 3. На верхней втулке 5 выполнено посадоч- ное седло 21 под разделительную пробку

22,а для фиксации в нижнем положении может выполняться кольцевая проточка

23,в которой установлено пружинное кольцо 24. Корпус 1 в таком случае имеет проточку 25.

Корпус 1 посредством переводников 26 и 27 соединяется соответственно с нижней и верхней ступенями обсадкой колонны. В то же время между переводниками снаружи к корпусу 1 крепится ствол 28 герметизатора с уплотнительным элементом 29 гидравлического пакера. Уплотнительный элемент 29 рукавного типа жестко закреплен обжимными стаканами 30 и упорными кольцами 31, ниже и выше которого в стволе выполнены в два уровня радиальные отверстия 32, 33 и 34, 35 соответственно. Ствол 28 образует с корпусом 1 кольцевую полость, разделенную перегородкой 36 между уровнями цементировочных отверстий 2 и 3 корпуса 1 на нижнюю 37 и верхнюю 38 полости. При этом в кольцевых полостях 37 и 38 расположены подпружиненные поршни 39 и 40 высота которых меньше расстояний между уровнями отверстий 32, 33 и 34, 35 ствола 28. Таки м образом надпошневые пространства полостей 37 и 38 сообщены с цементировочными отверстиями 2 и 3 соответственно, а подпоршневые пространства - с заколонным пространством соответственно ниже и выше гидравлического пакера. В нижней торцовой части 41 перегородки 36 ствола 28 установлены малогабаритные шаровые обратные клапаны 42. В этом случае, нижний поршень 39 дополнительно зафиксирован срезными элементами 43 между уровнем цементировочных отверстий 2 корпуса 1 и впускными клапанами 42 ствола 28 с одной стороны и циркуляционными отверстиями 32 ствола 28 с другой стороны. Втулки 4 и 5, посадочное седло 21, запорный элемент 9, ствол 28, обжимные стаканы 30, перегородка 36, поршни 39 и 40 снабжены уллотни- тельными кольцами 44.

Устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны работает следующим образом.

В транспортном положении, т.е. при спуске обсадной колонны, взаимное положение элементов устройства таково, как изображено на фиг.1, что позволяет производить промежуточные и профилактическую по окончании спуска обсадной колонны промывки обеих ступеней обсадной колонны путем обратной циркуляции через башмак. Кроме того, обеспечивается самозаполнение колонны,снижается скорость подъема жидкости за трубами даже при увеличении скорости их спуска, это в целом повышает надежность доведения обсадной колонны до проектной глубины.

Перед цементированием в трубное пространство бросают шар 14, который проходит сквозь резиновой диафрагмы 16, садится на седло 13 и перекрывает осевой канал 12 в обоих направлениях (двусторонний клапан). Продолжают закачивать промывочную жидкость под действием избыточного давления, передающегося через совмещенные циркуляционные каналы 10 и цементировочные отверстия 2 в нижнюю кольцевую полость 37. открываются впускные клапаны 42. Б подпакерное пространство уплотнительного элемента 29 поступает промывочная жидкость 45, происходит герметизация кольцевого пространства скважины между нижней и верхней ступенями обсадной колонны (фиг.2). После заполнения подпакерного пространства уплотнительного элемента 29 и дальнейшего повышения давления срезаются элементы 43 и поршень 39 спускается вниз, открывая циркуляционные радиальные отверстия 32, а впускные клапаны 42 закрываются.

В процессе цементирования,закачивая тампонажный раствор, разделенный запорным элементом 9, в обсадную колонну, пер- вая порция тампонажного раствора наплавляется по совмещенным каналам 10, 2 в нижнюю кольцевую полость 37, откуда через отверстия 32 в заколонное пространство первой ступени, а вытесняемая промывочная жидкость перетекает через низ первой ступени внутрь, откуда по каналам 11,3 - в верхнюю полость 38 и далее через отверстия 34 в заколонное пространство второй ступени (фиг.З). В случае кратковременных технологических перерывов и непредвиденных остановок закачки двухсторонний клапан срабатывает и тем самым предупреждает неконтролируемые перетоки жидкостей, вызванные разностью их плотностей.

При заходе запорного элемента 9 в посадочную втулку 8 срезаются элементы 6 и нижняя втулка 4 вместе с последними перемещается вниз до срезных элементов 18, закрывая нижний 2 и одновременно освобождая верхний 3 уровни цементировочных отверстий корпуса 1. В тоже время приподнимается подпружиненный поршень 39 и перекрывает отверстие 32 ствола 28, запирая в нижней кольцевой полости 37 часть тампонажного раствора 46. Верхний торец 19 втулки 4 останавливается на уровне нижней образующей 20 цементировочных отверстий 3. После этого вторая порция тампонажного раствора через верхний уровень цементировочных отверстий 3 поступает в кольцевую полость 40 и через циркуляционные отверстия 34 ствола 28 направляется в заколонное пространство второй ступени (фиг.4).

По окончании закачивания второй порции тампонажного раствора пускают разделительную пробку 22, которая, взаимодействуя с посадочным седлом 21, перемещает вниз верхнюю втулку 5, срезая при этом штифты 7. Перекрыв верхний уровень 3 цементировочных отверстий 3, верхняя втулка 5 взаимодействует с нижней втулкой 4. В результате повышения давления срезаются элементы 18 и обе втулки 4, 5 перемещаются вниз до соприкосновения нижней втулки 5 с упорным переводником 26. Одновременно подпружиненный поршень 40 приспускается, закрывая при этом отверстия 34 ствола 28, и также запирает в верхней кольцевой полости 38 оставшийся тампонажный раствор 46. В нижнем положении верхняя втулка 5 фиксируется разрезным пружинным кольцом 26 в проточке 23 корпуса 1 (фиг.5).

По окончании затвердевания тампонажного раствора разделительную пробку 22, посадочное седло 21, запорный элемент 9, бросовый запорный элемент 14, посадочные седла 8,13 и эластичную кольцевую диафрагму 16 разбуривают.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства для ступенчатого цементирования обсадной колонны заключается в повышении скорости спуска при уменьшенном отрицательном воздействии гидродинамической составляющей давления на продуктивные пласты, кроме того, надежной герметизации заколонного пространства скважины между первой и второй ступенями обсадной колонны гидравлическим пакером, вследствие этого также уменьшается репрессия на нижележащие пласты и исключаются заколонные перетоки. А изолированный в кольцевых полостях

тампонажный раствор дублируют и повышает надежность разобщения колонного и заколонного пространств устройства во времени, идущего на коррозию и размыв тампонажного раствора в кольцевых полостях между корпусом муфты и стволом паке- ра. Это вместе исключает осложнения и аварийную ситуацию при спуске и цементировании обсадной колонны, уменьшает количество проводимых ремонтно-изоляционных работ в процессе эксплуатации скважины.

Формула изобретения Устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны, включающее

полый корпус с цементировочными отверстиями верхнего и нижнего уровней, герметизатор заколонного пространства, помещенный снаружи корпуса, нижнюю втулку с посадочным седлом в верхней части, зафиксированную в корпусе на срезных элементах и выполненную с цементировочными каналами против цементировочных отверстий корпуса верхнего и нижнего уровней, и верхнюю втулку, помещенную в корпусе на срезных элементах над нижней втулкой, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности герметизации заколонного пространства скважины и спуска обсадной колонны до конечной глубины, оно снабжено нижним и верхним подпружиненными кольцевыми поршнями, нижняя втулка выполнена с осевым каналом, дополнительным посадочным седлом в нижней части под бросовый запорный элемент и эластичной кольцевой диафрагмой над посадочным седлом, а герметизатор заколонного пространства выполнен в виде гидравлического пакера, ствол которого выше и ниже уплотнительного элемента

выполнен с радиальными отверстиями и об- рузуетс корпусом нижнюю и верхнюю кольцевые полости, при этом в последних размещены соответствующие подпружиненные кольцевые поршни, нижний из них

зафиксирован относительно ствола срезными элементами, их надпошневые пространства сообщены с цементировочными отверстиями нижнего и верхнего уровней, а подлоршневые пространства - с заколонным пространством соответственно ниже и выше гидравлического пакера.

N

JL« л

VQ N

rS в

/ /

./ /I/ // /I/ /-.,.-. - ,/B..f i Ч У( . U хч ЧучлЛ А

f y r3Sfy. «M vrXXXJL

/ / / Л I

. МЛАЛ УХ ЧЛАЛ гЧдзгИ7

-j , -, V s- - i- -e- v« Nj fv V Ъч О

СлО СЬоч- -4i -C -«elj,

jfc. ГО

-J

-4 СО

--I

-U

r

Ч

-g

-J

CD

-J

-b

2S

Использование: при цементировании обсадных колонн в скважинах. Обеспечивает повышение надежности герметизации заколонного пространства скважины и спуск обсадной колонны до конечной глубины. Сущность изобретения: устройство включает полый корпус с цементировочными отверстиями верхнего и нижнего уровней. В корпусе на срезных элементах установлена нижняя втулка с посадочным седлом. Она выполнена с цементировочными каналами. Каналы выполнены против цементировочных отверстий корпуса верхнего и нижнего уровней. В нижней части втулка выполнена с дополнительным посадочным седлом. Это посадочное седло выполнено под бросовый элемент. Над посадочным седлом установлена кольцевая диафрагма. Снаружи корпуса помещен гидравлический пакер. Ствол пакера выше и ниже его уплотнительного элемента выполнен с радиальными отверстиями. С корпусом ствол образует нижнюю и верхнюю кольцевые полости. В этих полостях размещены подпружиненные кольцевые поршни. Их надпошневые пространства сообщены с цементировочными отверстиями нижнего и верхнего уровней. Подпошневые пространства сообщены с заколонным пространством. 5 ил. со с