Термоизолирующее направление буровой скважины

Полезная модель относится к устройствам, используемым в нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к термоизолирующим направлениям для бурения скважин в районах многолетней (вечной) мерзлоты для предотвращения их растепления.
Известна термоизолированная колонна труб (патент РФ № 2197594, кл. Е21В 17/01, опубл. 27.01.2003г.), включающая концентрично расположенные секции внешних труб с узлом соединения и секции внутренних труб, в кольцевом пространстве, между которыми размещены теплоизолирующий и экранирующий материалы и компенсаторы температурного расширения, выполненные в виде петлеобразной скобы с цилиндрическими обечайками и размещенные на стыках секции колонны на уровне соединительных узлов, эластичные кольца, установленные между смежными секциями труб в узле их соединения, причем компенсаторы температурного расширения расположены на одном из концов внутренней трубы и жестко соединены одним цилиндрическим торцом обечайки с внешней поверхностью внутренней трубы, а другим цилиндрическим торцом обечайки установлены скользяще - подвижно на внутренней трубе и жестко соединены с внутренней поверхностью внешней трубы, радиусы изгибов компенсатора температурного расширения равны одной трети промежутка межтрубного пространства, а расстояние между внутренними стенками основания петлеобразной скобы равно h=2/3R, где h - расстояние между внутренними стенками основания петлеобразной скобы, мм; R - радиус изгиба скобы, мм.
Известная конструкция характеризуется сложностью изготовления, увеличенной массой и ограниченной глубиной спуска вследствие того, что не обеспечивается теплоизоляция и теплозащита направления буровой скважины на больших глубинах.
Данная особенность обусловлена особенностями теплоизоляции трубы, обладающей низкими теплоизолирующими характеристиками.
Известна стальная термоизолированная труба, теплоизолирующее покрытие которой выполнено в виде нанесенной на поверхность трубы композиции на основе эпоксидных смол с включением стеклянных микросфер в количестве 60 % от объема и толщиной 4 мм, а на теплоизолирующем покрытии размещен защитный слой в виде отражающего экрана из алюминиевой фольги (патент РФ на полезную модель № 62643, кл. Е21В 17/00, 24.04.2007г.)
При использовании известного технического решения происходят относительно высокие тепловые потери, обусловленные конструктивными особенностями рассматриваемой трубы, а именно частыми повреждениями отражающего экрана при транспортировке и монтаже.
Известно термоизолирующее направление (патент РФ на полезную модель №74415, кл. Е21В 36/00, опубл. 27.06.2008г.), содержащее внутреннюю и наружную трубы и размещенный между ними теплоизолирующий материал, причем направление выполнено сборно-разборным из верхней и нижней частей, в зоне стыка которых внутренние трубы выступают из наружных труб и снабжены соединенными между собой фланцами, зона стыка перекрыта обечайкой, при этом полость между обечайкой и внутренней трубой заполнена теплоизолирующим материалом, а на наружной трубе нижней части выполнены крепежи для временной фиксации ребер для опоры на стенки скважины в процессе монтажа направления.
Применение известного технического решения обнаруживает высокую трудоемкость его монтажа во время спуско-подъемных операций, кроме того - данное решение приемлемо только при бурении на малые глубины большого диаметра. Данный фактор обусловлен тем, что известное термоизолирующее направление устанавливается в цилиндрическую шахту, подготавливается только шнековым буром, и позволяет установить не более двух частей термоизолирующего направления, при этом установка осуществляется только при помощи подъемного крана, кроме того, упомянутое шнековое бурение неприемлемо для больших глубин.
Известно также термоизолирующее направление буровой скважины, выполненное сборно-разборным, каждая секция которого содержит внутреннюю и наружную трубы и размещенный между ними теплоизоляционный материал, состоит из двух и более секций, каждая из которых, в зоне стыка, имеет выступающие из наружной трубы концы внутренней трубы, причем нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством резьбовой муфты соединения, при этом зона стыка наружной трубы каждой секции перекрывается обечайкой, а каждая полость между обечайкой и связанными между собой посредством резьбовой муфты соединения внутренними трубами заполнена теплоизоляционным материалом, а в качестве теплоизоляционного материала используется пенополиуретан или минеральная вата. Теплоизоляционный материал в полости между обечайкой и связанными между собой внутренними трубами представляет собой две теплоизоляционных половины-скорлупы. Причем указанные выше общие признаки с
заявляемым техническим решением относятся к средству того же назначения, описанному в патентах:
- RU № 160010 (кл. Е21В 36/00, опубликовано. 27.02.2016г.);
- RU №182283 (Е21В 36/003, 17/003, опубликовано 13.08.2018).
Данное устройство не решает техническую проблему, связанную с трудоемкостью монтажа во время спуско-подъемных операций. Обечайки - защитные элементы, изготовленные в виде цилиндрических труб, сложно надевать на любой из концов секций наружных труб и фиксировать посредством хомутов к наружным трубам. Кроме того, данный вид обечаек невозможно изготавливать в промышленных условиях при изготовлении секций термоизолирующего направления буровой скважины. Так, при изготовлении секций термоизолирующего направления буровой скважины с наружным диаметром наружной трубы 630 мм и наружным диаметром внутренней обсадной трубы 426 мм, размер обечайки должен быть 642-644x6-7 мм, которые сложно собрать в производственных условиях, а тем более при монтаже в районах вечной мерзлоты при температурах - минус 40° градусов и ниже.
Средство из патента RU № 182283 выбрано в качестве ближайшего аналога.
Таким образом, предлагаемая полезная модель решает проблему повышения эксплуатационных и монтажных возможностей путем установки термоизолирующего направления при бурении скважин на большую глубину.
Технический результат, обеспечиваемый данным устройством, заключается в удобстве монтажа и сокращении времени монтажа (установки) термоизолирующего направления буровой скважины при повышении надежности соединения секций и долговечности узлов стыка секций теплоизолированных труб, входящих в состав устройства.
Сущность предлагаемой полезной модели состоит в том, что в термоизолирующем направлении буровой скважины, которое выполнено сборно-разборным и состоящим из двух и более секций, каждая секция содержит внутреннюю и наружную трубы и имеет выступающие из наружной трубы концы внутренней трубы, нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством соединительной резьбовой муфты, в зоне стыка секций наружные трубы перекрывает защитный элемент, в полостях между наружной поверхностью внутренних труб и внутренней поверхностью наружных труб и в полостях между защитным элементом и концами соединенных внутренних труб размещен теплоизолирующий материал, новым является выполнение защитного элемента в виде кожуха, состоящего из двух половин сформованной трубы, которые соединены разъемным соединием, котороеие
3
представляет собой прикрепленные вдоль соединяемых кромок каждой половины сформованной трубы соединительные элементы, при этом вдоль первой пары соединяемых кромок в качестве соединительных элементов прикреплены имеющие общую геометрическую ось втулки, через которые проходит стержень с винтовой нарезкой по концевым участкам, на которые навинчены гайки, а вдоль второй пары кромок в качестве соединительных элементов прикреплены уголки, параллельные полки которых соединены болтовым соединением, причем две половины сформованной трубы соединены вдоль первой пары кромок с возможностью поворота вокруг указанного стержня до момента соединения второй пары кромок.
Достижение технического результата обусловлено наличием на защитном кожухе разъемного соединения, с помощью которого обеспечивается удобство монтажа термоизолирующего направления. Так, зону стыка секций с термоизолирующим материалом нет необходимости защищать иным элементом, чем двумя половинами сформованной трубы, прямолинейные кромки которых соединены соответствующими элементами.
Для сокращения времени монтажа в качестве соединительных элементов каждой пары соединяемых кромок половин сформованной трубы используются различные виды соединения. Выполнение соединения в виде прикрепленных вдоль соединяемой пары кромок втулок, имеющих одну геометрическую ось, дает возможность вставить внутрь данных втулок стержень с винтовой нарезной, на который навинчиваются гайки. Поворот двух половин сформованной трубы относительно закрепленного стержня дает возможность «раскрыть» защитный элемент, охватив им зону стыка секций, затем «схлопнуть» две половины защитного элемента для соединения болтовым соединением параллельных полок уголков, установленных вдоль другой соединяемой пары кромок половин сформованной трубы. Следует отметить, что такое соединение, имеющее с одной стороны втулки с проходящим сквозь них стержнем, может быть выполнено в заводских условиях, а не на месте монтажа термоизолирующего направления. Данная конструкция разъемного соединения также направлена на удобство монтажа и сокращение сроков на его установку.
На основании вышесказанного следует, что разъемное соединение защитного кожуха, выполненного из двух половин сформованной трубы, способствует удобству монтажа, сокращению сроков монтажа и надежности, а также при наличии герметизирующих элементов приводит к повышению периода эксплуатации (к повышению долговечности).
Эти и другие особенности термоизолирующего направления буровой скважины поясняются чертежами, на которых изображены:
- на фигуре 1 - общий вид предлагаемого устройства (в вертикальной ориентации);
- на фигуре 2 - общий вид узла стыка секций.
Выполненное сборно-разборным термоизолирующее направление буровой скважины может состоять из двух и более секций. На чертеже изображено термоизолирующее направление, включающее три секции 1, каждая из которых содержит внутреннюю обсадную трубу 2 (например, обсадная труба размером 426x11 мм) и наружную сварную одношовную трубу 3 (например, труба размером 630x8 мм). Между трубами 2 и 3 каждой секции 1 размещен теплоизолирующий материла 4 (например, пенополиуретан).
Каждая из 1 в зоне стыка имеет выступающие из наружной трубы 3 нижние концы 5 внутренних труб 2, соединенные посредством резьбовой муфты 6 с верхними концами 7 внутренних труб 2. Для муфтового соединения концевых участков 5 и 7 внутренних труб 2 смежных секций 1 нанесена резьба типа ОТТМ (обсадные трубы, треугольная муфта; резьба для муфтового соединения с треугольной резьбой), ОТТГ (обсадные трубы, трапецеидальная, герметичность; обсадные трубы с трапецеидальной резьбой с повышенной герметичностью) или с упорной резьбой БАТРЕСС-ОТБР-426.
В зоне стыка смежных секций 1 наружные трубы 3 охватывает защитный кожух 8, выполненный из двух половин 9 сформованной трубы, при этом полость, образованная между защитным кожухом 8 и соединенными муфтой 6 внутренними трубами 2 смежных секций 1, заполнена теплоизолирующим материалом 4, сформированным в зоне стыка в виде двух скорлуп. Теплоизолирующий материал 4 как между трубами 2, 3, так и в зоне стыка секций 1 представляет собой пенополиуретан или стекловату.
Две половины сформованной трубы 9 с внутренним диаметром 630-632 мм на сопрягаемых краях выполнены с соединительными элементами, в качестве которых используются центрирующие втулки 10, имеющие общую геометрическую ось, а с другой стороны приварены уголки 11 с отверстиями 12. В полости втулок 10 установлен стержень 13с винтовой нарезкой по концевым участкам, на которые навинчены гайки (на чертежах не показаны). Параллельные полки уголков 11 соединены болтами, установленными в отверстия 12. Следует отметить, что стержень 13 установлен так, что две половины 9 сформованной трубы (кожуха 8) могут быть раскрытыми, т.е. противоположные края кожуха 8 с уголками 11 имеют возможность быть в разомкнутом состоянии для того, чтобы беспрепятственно охватить наружные трубы 3 и быть в приведенном состоянии для болтового соединения полок уголков 11.
Таким образом, предложенная конструкция разъемного соединения защитного кожуха предопределяет удобство монтажа термоизолирующего направления и сокращение времени монтажа в связи с тем, что нет необходимости в использовании хомутов, стяжек и прочих элементов крепежа, не способствующих производительному монтажу.
Для обеспечения герметичности зоны стыка смежных секций термоизолирующего направления от воздействия неблагоприятных факторов (влага) зазор меду наружной поверхностью трубы 1 и внутренней поверхностью кожуха 8 может быть закрыт четырьмя идентичными герметизирующими элементами 14, выполненными в форме с П-образным профилем поперечного сечения и изготовленными из гибкого материала, например, резины или полиуретана. При этом каждый герметизирующий элемент 14 надет на торцевую часть половины сформованной трубы 9 так, что боковые части герметизирующего элемента плотно входят в упомянутый выше зазор. Благодаря П-образной форме профиля и выполнению из гибкого материала обеспечивается удобство монтажа на торцевые части двух половин сформованной трубы, а плотное примыкание боковых частей герметизирующих элементов к наружной поверхности наружной трубы обусловлено выполняемой функцией - герметизировать пространство зоны стыка секций.
Смещению герметизирующих элементов 14 в вертикальном направлении (в котором ориентировано термоизолирующее направление) препятствуют пластины 15 в количестве четырех, установленных путем приваривания к наружной поверхности трубы
I. При этом место расположения пластин 15 продиктовано возможностью их контакта с поверхностью соответствующего герметизирующего элемента. Одна пластина может быть расположена над соединением половин 9 сформованной трубы с использованием втулок 10 и стержней 13, а вторая пластина - над соединением кожуха с использованием уголков
II, соединенных болтами. Аналогичным образом для предотвращения смещения нижних герметизирующих элементов 14 приварены две пластины 15 под соединениями двух половин 9 сформованной трубы.
Применение тремоизолирующего направления и последовательность монтажа секций подробно описана в научно-технической литературе и известна специалисту в данной области техники, в частности, из патентного описания к полезной модели RU №160010.
Применение заявляемого термоизолирующего направления характеризуется тем, что две половины 9 сформованной трубы (кожуха 8) соединяются с одной стороны с использованием втулок 10 и стержня 13 в заводских условиях, а в условиях монтажа
термоизолирующего направления остается соединить уголки 11 болтовым соединением на противоположенных краях сформованной трубы (защитного кожуха 8).
Из вышесказанного следует вывод: предлагаемая конструкция полезной модели позволяет производить термоизолирующие направления в условиях одного предприятия, поставлять их в комплекте с защитными и герметизирующими элементами, а применение термоизолирующего направления, в свою очередь, позволит повысить эксплуатационные возможности за счет сокращения сроков его монтажа и удобства такого монтажа благодаря конструкции разъемного соединения защитного кожуха, выполненного из двух половин сформированной трубы с возможностью охвата зоны стыка без необходимости быть надетым на наружные трубы секций.