УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗОН ОСЛОЖНЕНИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ И НАРУШЕНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН ПРОФИЛЬНЫМ ПЕРЕКРЫВАТЕЛЕМ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ УЧАСТКАМИ
METHOD AND DEVICE FOR ISOLATION OF TROUBLESOME ZONES WHEN DRILLING WELLS AND DETECTING FAULTS IN CASING STRINGS WITH SHAPED SHUTTER WITH CYLINDRICAL SECTIONS

Изобретение относится к бурению и капитальному ремонту скважин, а именно к технологии и средствам ликвидации зон осложнения при бурении скважин и ремонте обсадных колонн при нарушении их герметичности.
Известно устройство для ремонта обсадных колонн в скважине (а.с. №976020, МПК Е21В 29/10, опубл. в бюл. №43 от 23.11.1982 г.). Данное устройство содержит профильный перекрыватель с цилиндрическими концами, на концах которого установлены верхний и нижний якорные узлы в виде конусов с уплотнениями и фиксирующих плашек, образующих с перекрывателем гидравлическую камеру, а также захватный и захватываемый элементы, один из которых соединен с конусом верхнего якорного узла, а другой - с конусом нижнего якорного узла. При этом захватный и захватываемый элементы имеют выступы для взаимодействия с профильной частью перекрывателя. Нижний конец конуса нижнего якорного узла снабжен дорном, а верхний конец конуса верхнего якорного узла - обратным клапаном. Осуществляется спуск перекрывателя в зону нарушения герметичности колонны (или зону осложнения бурения) с использованием установочной головки, расширение профильных участков перекрывателя созданием в нем гидравлического давления, раздачу цилиндрических участков с помощью дорна.
Основными недостатками известного устройства являются низкое качество и ненадежность перекрытия зон нарушения герметичности обсадных колонн или осложнения бурения скважины, особенно когда интервал перекрытия достигает нескольких сотен метров. Это является следствием того, что при расширении профильных труб гидравлическим давлением происходит заякоривание перекрывателя в колонне обсадных труб или стволе скважины выше и ниже интервала нарушения или осложнения, а при раздаче профильных и цилиндрических участков сначала сверху вниз, а потом снизу вверх происходит "наплыв" металла на резьбовые соединения соответственно сверху и снизу, что может привести к их разгерметизации из-за смещения соединенных резьбой участков. Также возможны аварийные ситуации в случаях заклинивания конусов при развальцовке профильного перекрывателя.
Известно также устройство для перекрытия зоны осложнения в скважине (а.с. SU №1712581, МПК Е21В 29/10, 33/13, опубл. в бюл. №6 от 15.02.1992 г.), которое включает профильную трубу с цилиндрическими участками по концам, на нижнем из которых размещен башмак с обратным клапаном, а в верхнем - расширитель с вальцующими элементами, размещенную над профильной трубой дорнирующую головку, состоящую из нескольких секций, установленных ступенчато с уменьшающимися по диаметру в сторону раздачи вальцующими элементами, жестко связанные между собой: захватывающий элемент, замковый механизм и узел соединения с бурильными трубами.
Основным недостатком этого устройства является ненадежность изоляции зон осложнения бурения скважин вследствие плохой калибровки раздутой профильной части перекрывателя и некачественного прижатия цилиндрической части перекрывателя развальцовкой, что может привести к заклиниванию долота при его спуске после установки профильного перекрывателя для продолжения бурения, к нарушению герметичности резьбовых соединений перекрывателя, а иногда и к их разрушению из-за многоразовой знакопеременной нагрузки. Также при неглубоких интервалах бурения может не хватить веса колонны бурильных труб для прохождения цилиндрических частей, что приведет к заклиниванию инструмента и, как следствие, к аварийной ситуации.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому являются способ и устройство изоляции зон осложнения бурения скважины профильным перекрывателем с цилиндрическими участками (патент RU №2374424, МПК Е21В 29/10, опубл. в бюл. №33 от 27.11.2009 г.).
Устройство по этому патенту включает профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, установленный на нижнем конце перекрывателя башмак с обратным клапаном и ловильной головкой вверху, расширяющую головку, состоящую из нескольких установленных друг над другом секций в виде пуансонов с уменьшающимися от секции к секции в сторону перекрывателя рабочими максимальными диаметрами и содержащую сверху узел соединения с колонной труб, а снизу - замковый механизм с ловителем под ловильную головку башмака, а также якорный узел, выполненный с возможностью взаимодействия со стенками скважины или профильным перекрывателем при повышении внутреннего давления, и установленный последовательно ниже гидродомкрат, состоящий из соединенных соосно полых поршней и цилиндров.
Недостатками этого устройства являются ненадежность и недостаточная эффективность работы якорного узла и гидродомкрата, что выражается в следующем. Вследствие того, что гидродомкрат, якорное устройство и бурильная колонна, вес которой используется при раздаче перекрывателя, расположены последовательно относительно друг друга, при работе гидродомкрата происходит компенсация усилия от веса колонны бурильных труб за счет усилия гидродомкрата. Это приводит к тому, что часть усилия от гидродомкрата, равная весу колонны труб, не производит полезной работы при раздаче перекрывателя. Лишь только при превышении давления в гидродомкрате, соответствующего усилию гидродомкрата, равному весу колонны труб, начинается дальнейшая раздача пуансонами цилиндрических участков перекрывателя, требующих большого усилия при их раздаче. Якорный узел, взаимодействующий со стенками скважины или профильным перекрывателем, должен обладать значительным усилием заклинивания, чтобы воспрепятствовать выталкиванию бурильной колонны при работе гидродомкрата. Поэтому гидравлический якорь с радиально-выдвигающимися плашками в предложенной конструкции неудовлетворительно выполняет свои функции закрепления бурильной колонны. Плашки якоря при подаче гидравлического давления одновременно с началом работы гидродомкрата выдвигаются в рабочее положение и вследствие этого не успевают закрепиться за стенки скважины. Промысловые испытания показали ненадежность работы якорного узла с радиально-выдвигающимися плашками и недостаточную эффективность гидродомкрата.
Технической задачей изобретения является повышение надежности и эффективности устройства ликвидации зон осложнения бурения скважин и ремонта обсадных колонн при нарушении их герметичности за счет более эффективной работы гидродомкрата и якорного узла, заключающейся в суммировании осевой нагрузки от гидродомкрата и от веса бурильной колонны, предварительном выдвижении плашек якоря и более прочном закреплении плашек якорного устройства о стенки скважины или обсадной колонны.
Указанная задача решается устройством для изоляции зон осложнения бурения скважины и нарушения обсадных колонн профильным перекрывателем с цилиндрическими участками, включающим профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, установленный на нижнем конце перекрывателя башмак с обратным клапаном и ловильной головкой вверху, расширяющую головку, состоящую из нескольких секций, установленных друг над другом, с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя и содержащую снизу замковый механизм, герметично соединенный с верхним концом перекрывателя, с ловителем внизу под ловильную головку башмака, установленные над расширяющей головкой якорный узел, выполненный с возможностью взаимодействия со стенками скважины или профильным  перекрывателем  при повышении внутреннего давления, гидродомкрат, состоящий из соединенных соосно полых поршней со штоками и цилиндров, и узел соединения с колонной труб.
Новым является то, что штоки гидродомкрата жестко соединены между собой и сверху - с колонной труб, а снизу - с расширяющей головкой соответственно через верхний и нижний жесткие центраторы, причем поршни выполнены  подпружиненными вверх от соответствующего  цилиндра гидродомкрата, в котором выше поршней выполнены продольные каналы, при этом якорный узел изготовлен в виде секций, состоящих из расположенных снаружи соответствующего цилиндра гидродомкрата кожуха,  конуса, расширяющегося сверху вниз и жестко связанного с кожухом и цилиндром гидродомкрата, плашек с толкателями, взаимодействующими с кольцевым подпружиненным вверх от кожуха поршнем, размещенным в полости между кожухом и цилиндром гидродомкрата с возможностью герметичного перекрытия продольных каналов цилиндра и их открытия при перемещении вниз, причем кожух выполнен выше кольцевого поршня герметичным и сообщающимся с полостью  штока  выше  соответствующего  цилиндра, а плашки взаимодействующими с конусом и с возможностью расширения при перемещении вниз под действием кольцевого поршня и толкателей до взаимодействия со стенками скважины или профильным перекрывателем, при этом кольцевые поршни внутри оснащены выступами, вставленными в продольные каналы цилиндра и выполненными с возможностью взаимодействия с поршнем при его перемещении вверх.
На фиг.1 и на фиг.2 изображена верхняя часть устройства, включающая гидродомкрат и якорный узел.
На фиг.3 изображена расширяющая головка.
На фиг.4 - нижняя часть устройства, включающая перекрыватель с замковым механизмом расширяющей головки, башмак с обратным клапаном и ловильной головкой.
Устройство для изоляции зон осложнения бурения (например, каверны, осыпания породы, водопроявления и т.п. - на фиг. не показаны) скважины (не показана) и нарушения обсадных колонн (например, коррозионные и механические нарушения - не показаны) включает профильный перекрыватель 1 (см. фиг.4) с цилиндрическими участками 2 и резьбовыми соединениями 3 на этих участках для герметичного соединения между собой, установленный на нижнем конце перекрывателя 1 башмак 4 с обратным клапаном 5 и ловильной головкой 6 вверху, расширяющую головку 7 (см. фиг.3), состоящую из нескольких секций 7', 7'', 7''', установленных друг над другом, с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями 8 в сторону профильного перекрывателя 1 (см. фиг.4) и содержащую снизу замковый механизм 9, герметично соединенный с верхним концом перекрывателя 1, с ловителем 10 внизу под ловильную головку 6 башмака 4.
Устройство содержит гидродомкрат 11 (см. фиг.1 и фиг.2), состоящий из соединенных соосно полых поршней 12 со штоками 13 и цилиндров 14. Причем штоки 13 гидродомкрата 11 жестко соединены между собой и сверху - через узел соединения 15 (см. фиг.1) с колонной труб 16, а снизу - с расширяющей головкой 7 (см. фиг.3), соответственно через верхний и нижний центраторы 17 (см. фиг.1 и фиг.2). При этом поршни 12 подпружинены вверх от соответствующего цилиндра 14 гидродомкрата 11 пружинами 18. На наружной поверхности цилиндров 14 выше поршней 12 выполнены продольные каналы 19.
Устройство содержит также якорный узел 20 (см. фиг.1 и фиг.2), установленный над расширяющей головкой 7 (см. фиг.3), состоящий из расположенных снаружи соответствующего цилиндра 14 (см. фиг.1 и фиг.2) гидродомкрата 11 кожуха 21, конуса 22, расширяющегося сверху вниз и жестко связанного с кожухом 21 и цилиндром 14 гидродомкрата 11, плашек 23 с толкателями 24, взаимодействующими с кольцевым подпружиненным вверх от кожуха 21 поршнем 25, размещенным в полости между кожухом 21 и цилиндром 14 гидродомкрата 11 с возможностью герметичного перекрытия продольных каналов 19 цилиндра 14 и их открытия при перемещении вниз, причем кожух 21 выполнен выше кольцевого поршня 25 герметичным и сообщающимся с полостью 26 штока 13 через отверстия 27 выше соответствующего цилиндра 14, а плашки 23 - взаимодействующими с конусом 22 и с возможностью расширения при перемещении вниз под действием кольцевого поршня 25 и толкателей 24 до взаимодействия со стенками скважины, обсадной колонны или профильным перекрывателем 1 (см. фиг.4). При этом кольцевые поршни 25 внутри имеют выступы 28, вставленные в продольные каналы 19 цилиндра 14 и выполненные с возможностью взаимодействия с поршнем 25 при его перемещении вверх.
Уплотнения 29, 30, 31, 32, 33, 34 служат для обеспечения герметичности и предотвращения утечек в устройстве. Технические элементы конструкции, на которые авторы не претендуют, не указаны или указаны условно.
Устройство работает следующим образом.
После сборки перекрывателя 1 (см. фиг.4) на устье скважины и присоединения к перекрывателю 1 расширяющей головки 7 (см. фиг.3), гидродомкрата 11 (см. фиг.1 и фиг.2) и якорного узла 20 устройство присоединяют через узел соединения 15 (см. фиг.1) к трубам 16, на которых осуществляют спуск устройства в скважину. После спуска перекрывателя 1 (см. фиг.4) в скважину на колонне труб 16 (см. фиг.1) до интервала, где необходимо изолировать зону осложнения бурения скважины или нарушения обсадной колонны, в профильный перекрыватель 1 (см. фиг.4) через колонну бурильных труб 16 (см. фиг.1), полость 26 штоков 13 (см. фиг.1 и фиг.2), расширяющую головку 7 (см. фиг.3), замковый механизм 9 (см. фиг.4) и ловитель 10 подают избыточное давление. В результате этого обратный клапан 5 башмака 4 закрывается, профильные участки перекрывателя 1 расправляются и прижимаются к стенкам скважины или обсадной колонны. При этом нижний торец ловителя 10 освобождается от взаимодействия с верхним сужением профильного перекрывателя 1, и при разгрузке устройства с колонной труб 16 (см. фиг.1) под их весом замковый механизм 9 (см. фиг.4) выходит из зацепления с верхним концом перекрывателя 1. При дальнейшей разгрузке колонны труб 16 (см. фиг.1) и ее спуске, расширяющая головка 7 (см. фиг.3) своими рабочими поверхностями 8 пуансонов 7', 7'', 7''' последовательно дорнирует и калибрует под весом всего оборудования профильную часть перекрывателя 1 (см. фиг.4).
При дорнировании цилиндрических участков 2 и резьбовых соединений 3 перекрывателя 1, когда веса колонны труб 16 (см. фиг.1) не хватает для их раздачи, в колонне труб 16 вновь создают избыточное давление. Избыточное давление жидкости через отверстие 27 (см. фиг.1 и фиг.2) в штоке 13, действуя на поршень 25, заставляет его перемещаться вниз вместе с толкателями 24, выдвигая плашки 23 до своего рабочего положения, т.е. до их взаимодействия со стенками скважины, обсадной колонны или перекрывателя 1 (см. фиг.4). В конце хода поршня 25 (см. фиг.2), когда плашки 23 выдвинулись в рабочее положение, открываются продольные каналы 19 цилиндра 14, и избыточное давление возникает в гидродомкрате 11, воздействуя при этом на поршни 12 (см. фиг.1 и фиг.2), которые, в свою очередь, через жесткое закрепление со штоками 13 заставляют их перемещаться вниз. Штоки 13 воздействуют этой создаваемой гидродомкратом дополнительной к весу колонны труб 16 (см. фиг.1) осевой нагрузкой на расширяющую головку 7 (см. фиг.3), которая своими пуансонами 7', 7'', 7''' дорнирует и калибрует цилиндрические участки 2 (см. фиг.4) и резьбовые соединения 3 перекрывателя 1. Усилие, создаваемое гидродомкратом 11 (см. фиг.1 и фиг.2), через цилиндр 14 гидродомкрата 11 и жестко связанный с кожухом 21 и цилиндром 14 гидродомкрата 11 конус 22 удерживается плашками 23 якорного узла 20, взаимодействующими со стенками скважины, обсадной колонны или перекрывателя 1 (см. фиг.4), и вследствие этого суммируется с осевой нагрузкой от веса колонны труб 16 (см. фиг.1) на расширяющую головку 7 (см. фиг.3).
Ход поршней 12 (см. фиг.1 и фиг.2) гидродомкрата 11 ограничен упорами 35 в цилиндрах 14. Для выхода жидкости при работе гидродомкрата 11 в цилиндрах 14 предусмотрены отверстия 36.
После того, как поршни 12 со штоками 13 переместятся вниз, т.е. осуществится ход гидродомкрата 11, сбрасывают избыточное давление в колонне труб 16 (см. фиг.1). Вследствие этого сбрасывается избыточное давление внутри кожухов 21 (см. фиг.1 и фиг.2) и в цилиндрах 14 гидродомкрата 11. При этом сжатые пружины 18, воздействуя на цилиндры 14, заставляют их возвратиться в исходное по отношению к штокам 13 положение. При этом выходят из зацепления с конусом 22 плашки 23, и подпружиненные вверх от кожухов 21 кольцевые поршни 25 также возвращаются в исходное состояние. Окончание хода штоков 13 гидродомкрата 11 определяют по гидравлическому индикатору веса на устье скажины и перемещению колонны труб 16 (см. фиг.1).
В том случае, если по каким-то причинам происходит заклинивание якорного узла 20, и усилия пружин 18 не хватает для того, чтобы плашки 23 вышли из зацепления с конусами 22, поднимают колонну труб 16 (см. фиг.1) и жестко соединенные с ней штоки 13 (см. фиг.1 и фиг.2) с поршнями 12 до взаимодействия поршней 12 гидродомкрата 11 с выступами 28 кольцевых поршней 25. Поршни 25 перемещаются вверх и тем самым принудительно выводят плашки 23 из зацепления с конусами 22 якорного узла 20.
Затем вновь разгружают колонну труб 16 (см. фиг.1) и опускают ее до тех пор, пока расширяющей головке 7 (см. фиг.3) для дорнирования и калибровки перекрывателя 1 (см. фиг.4) не будет достаточно веса колонны труб 16 (см. фиг.1). После этого вновь создают избыточное давление в колонне труб 16, тем самым приводя в действие якорный узел 20 (см. фиг.1 и фиг.2) и гидромкрат 11, дорнируя и калибруя пуансонами 7', 7'', 7''' (см. фиг.3) цилиндрические участки 2 и резьбовые соединения 3 перекрывателя 1 (см. фиг.4).
Достигнув башмака 4, ловитель 10 захватывает ловильную головку 6 башмака 4, после чего пуансонами 7', 7'', 7''' (см. фиг.3) дорнируют и калибруют нижнюю часть перекрывателя 1 (см. фиг.4). После этого башмак 4, замковый механизм 9, расширяющую головку 7 (см. фиг.3), гидродомкрат 11 (см. фиг.1 и фиг.2) и якорный узел 20 на колонне труб 16 (см. фиг.1) извлекают из скважины.
Верхний и нижний центраторы 17 (см. фиг.1 и фиг.2) служат для предотвращения зацепления кожухов 21 о стенки скважины, обсадной колонны или перекрывателя 1 (см. фиг.4) при их возврате в исходное положение.
Количество цилиндров 14 (см. фиг.1 и фиг.2) в гидродомкрате 11 и, соответственно, секций якорного узла 20 зависит от максимально необходимого усилия при дорнировании и калибровке перекрывателя 1 (см. фиг.4), что определяется диаметром и толщиной стенки перекрывателя 1, и от траектории ствола скважины.
Предлагаемое устройство позволяет повысить надежность якорного устройства и эффективность гидродомкрата при осуществлении изоляции зон осложнения бурения скважин и ремонта обсадных колонн при нарушении их герметичности.