УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН
CEMENTING DEVICE FOR WELLS

Изобретение относится к горной промышленности и предназначено для проведения работ, связанных с креплением скважин и разобщением пластов.
Известно устройство для цементирования скважин (см. а. с. №1.562.430, М кл Е21В 33/16, опубл. 28.03.88 г.). Устройство включает полый корпус с уплотнительными манжетами на наружной поверхности, сердечник, размещенный внутри корпуса, с возможностью осевого перемещения, опорный диск, установленный в нижней части сердечника, механизм фиксации устройства относительно обсадной колонны. Эластичное кольцо размещено между опорным диском и уплотнительными манжетами. Механизм фиксации устройства в обсадной колонне выполнен в виде подпружиненных стержней, установленных в обойме с возможностью радиального перемещения при взаимодействии с коническим упором.
Устройство через цементировочную головку вводится в осевой канал обсадной колонны и потоком рабочей жидкости транспортируется на забой скважины с продавливанием цементного раствора в межтрубное пространство скважины. По достижении «кольцо-стоп» происходит остановка устройства. После сброса давления над устройством под действием перепада давления эластичное кольцо деформируется в радиальном направлении при торцовом взаимодействии с опорным диском сердечника до контакта со стенкой обсадной колонны и вводом во взаимодействие конусного упора с ответными коническими поверхностями подпружиненных стержней, которые перемещаются в радиальном направлении до контакта со стенкой трубы обсадной колонны. Тем самым достигается фиксация устройства, с герметизацией осевого канала труб обсадной колонны от пространства под устройством.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести следующее:
- сложность конструкции в изготовлении, монтаже и эксплуатации;
- существует неопределенность в последовательности срабатывания деталей устройства, а именно, взаимодействие конусного упора с эластичным кольцом с одновременным взаимодействием конуса с ответными коническими поверхностями опорных стержней и их контакта со стенкой трубы обсадной колонны. Однако согласно ГОСТ трубы обсадной колонны обладают эллипсностью и разностенностью, что не позволяет ввести в контакт со стенкой трубы эластичного кольца, с созданием равных контактных напряжений по всему внутреннему периметру трубы.
То же самое происходит и при выходе подпружиненных стержней в контакт со стенкой трубы, т.е. имеет место ненадежное крепление устройства.
Известны двухсекционные продавочные пробки типа СП, состоящие из двух частей (см. А.А. Гайворонский, А.А. Цыбин. Крепление скважин и разобщение пластов. - М.: Недра, 1981 г. Стр. 67-69).
Нижняя пробка подвешивается на срезных штифтах в обсадной колонне, соединенной с бурильной колонной, верхняя пробка прокачивается по бурильным трубам.
Верхняя пробка рассчитана на расположение в осевом канале бурильной колонны труб и состоит из корпуса с резиновыми манжетами на внешней стороне. Нижняя секция состоит из корпуса с резиновыми манжетами на внешней стороне, седло на внутренней поверхности корпуса в верхней части коническое.
В процессе цементирования обсадной колонны, пробка цементировочная в сочетании с пробкой продавочной транспортируется по осевому каналу обсадной колонны с продавливанием цементного раствора в межтрубное пространство скважин.
Работа конструкции.
Верхняя секция продавочной пробки, в процессе перемещения по бурильной колонне труб, продавливает цементный раствор вниз, с прохождением его через осевой канал нижней секции пробки и подачей в межтрубное пространство скважины. Верхняя секция продавочной пробки доходит до места установки нижней секции и входит своим нижним концом в ее осевой канал, с изоляцией полости бурильной колонны труб.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести: - взаимодействие между верхней и нижней секциями продавочной пробки происходит при наличии избыточного давления скважинной жидкости над устройством. В случае остановки процесса цементирования, например в аварийной ситуации, пластовая жидкость, имеющая большую плотность, может рассоединить секции с образованием аварийной ситуации в виде попадания тампонажного раствора внутрь труб обсадной колонны и снижения уровня последнего в межтрубном пространстве.
Известно устройство для установки цементного моста в скважине (см. пат. РФ №2435021, кл МКИ Е21В 33/14, опубл. 22.10.2014 г.), принятое за прототип.
Устройство предназначено для подачи тампонажного раствора в заданный интервал скважины и создания цементного моста. Состоит из полого цилиндрического корпуса, нижней разделительной пробки с проходным каналом, оснащенной сверху посадочным седлом под верхнюю разделительную пробку с осевым каналом, соединенную срезными элементами с корпусом.
Кожух снабжен боковыми промывочными каналами, выполнен из легко разбуриваемого материала и связан с корпусом. Длина кожуха принята больше длины интервала поглощения. На верхнем конце кожуха выполнена проточка с герметично установленной нижней разделительной пробкой. Снизу патрубок оснащен башмаком с клапаном и фиксатором под нижнюю разделительную пробку. Пробки изготовлены из легко разбуриваемого материала. Боковые каналы выполнены с возможностью их герметичного перекрытия нижней разделительной пробкой с фиксатором башмака.
Работа устройства.
В зону поглощения на бурильной колонне труб спускают патрубок, с расположением боковых каналов напротив зоны поглощения. Нижняя разделительная пробка с проходным каналом размещается на нижнем конце патрубка. Далее, после спуска компановки в скважину, по бурильной колонне труб прокачивают тампонажный раствор с выходом через клапан в башмаке, в полость скважины. Затем в бурильную колонну труб вводят верхнюю разделительную пробку, с доведением ее закачиваемой жидкостью до посадки в седло на нижней разделительной пробке. При этом происходит рост давления над нижней разделительной пробкой и связанной с ней верхней разделительной пробкой, что приводит к разрушению срезных элементов и освобождению пробок от взаимодействия с корпусом.
Далее, путем прокачивания рабочей жидкости, верхняя и нижняя пробки в сборе перемещаются по патрубку, с выдавливанием тампонажного раствора из его осевого канала, в зону поглощения. По достижению башмака нижняя разделительная пробка входит в осевой канал башмака и взаимодействует с фиксатором. При этом происходит перекрытие боковых каналов патрубка.
Очередной подъем давления приводит к отрыву патрубка от корпуса. После этого корпус с частью патрубка на бурильных трубах поднимают из скважины. Затем освобождают осевой канал скважины от патрубка с верхней и нижней разделительной пробки путем разбуривания.
К недостаткам конструкции следует отнести: - при подаче по бурильной колонне труб верхней разделительной пробки, с воздействием сверху на нее избыточным давлением рабочей жидкости, она доходит до седла в осевом канале нижней разделительной пробки и садится на него. При этом, как показано на фиг. 1 седло выполнено коническим, с соответствующим выполнением нижнего конца верхней разделительной пробки также коническим. Поскольку при ведении работ по цементированию скважин имеет место контакт тампонажного раствора с поверхностью седла, что приводит к эрозионному износу поверхности, с потерей герметичности соединения верхней и нижней разделительных пробок;
- в случае прекращения подачи под давлением рабочей жидкости при наличии избыточного давления под нижней разделительной пробкой имеет место случай, когда верхняя разделительная пробка может выйти из контакта с седлом в нижней разделительной пробке, что может привести к подъему тампонажного раствора в осевом канале бурильной колонны труб и низкому качеству цементирования.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- повышения качества ведения тампонажных работ в стволе скважины с обеспечением герметичности зоны скважины под разделительными пробками от полости бурильной клоны труб и созданием цементной пробки высокого качества.
Технический результат достигается тем, что устройство для цементирования скважин, включающее нижнюю разделительную пробку с сердечником, связанную срезными штифтами с бурильной трубой, седлом под верхнюю разделительную пробку. Нижняя разделительная пробка снабжена гайкой и ступенчатой втулкой, входящей в цилиндрическую расточку в теле сердечника и снабженной посадочным седлом и проточкой.
Верхняя разделительная пробка выполнена в виде двух манжет с закладной и соединительной муфтами, связанными с соединительным стержнем. Причем соединительная муфта снабжена цангой с лепестками, установленная на нижнем конце соединительного стержня с возможностью взаимодействия лепестков цанги с проточкой ступенчатой втулки при размещении в проходном канале сердечника нижней разделительной пробки. Срезные штифты установлены на бурильной трубе и связаны со ступенчатой втулкой.
Конструкция разделительной продавочной пробки поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - нижняя разделительная пробка в разрезе;
- на фиг. 2 - верхняя разделительная пробка в разрезе;
-на фиг. 3 - взаимное положение деталей - верхней и нижней разделительных пробок, образующих продавочную пробку.
Нижняя разделительная пробка состоит из сердечника 1, на внешней стороне которого установлена резиновая манжета 2. В верхней части сердечника 1 выполнена ступенчатая втулка 4, зафиксированная гайкой 5.
Внутри ступенчатой втулки 4 выполнен посадочный конус 6 и проточка 7. Верхний конец ступенчатой втулки 4 связан с бурильной трубкой 8, с присоединительной резьбой 9. Ступенчатая втулка 4 и бурильная труба 8 связаны друг с другом срезными штифтами 10.
Верхняя разделительная пробка состоит из соединительного стержня 11, манжеты 12 и манжеты 13, которые снабжены соответственно закладной муфтой 14 и соединительной муфтой 15, снабженной цангой с лепестками 16.
Закладная 14 и соединительная муфты 15 связаны с соединительным стержнем 11 резьбой. На верхнем конце соединительного стержня 11 установлена стопорная гайка 17. Соединительная муфта 15 снабжена уплотнительным кольцом 18.
Принцип работы устройства.
Нижняя разделительная пробка (см. фиг. 1) присоединительной резьбой 9 переводника 8 соединяется с первой трубой бурильной колонны и вводится в скважину.
Верхняя разделительная пробка (см. фиг. 2) устанавливается в осевом канале бурильной трубы и после промывки скважины, с подачей тампонажного раствора, подается по осевому каналу бурильной колонны труб, с пропуском тампонажного раствора через осевой канал сердечника 1.
Верхняя разделительная пробка доводится до места установки нижней разделительной пробки и своим нижним концом вводится в осевой канал сердечника 1, с вводом лепестков цанги 16 в проточку 7 и фиксацией в этом положении (см. фиг. 3).
При повышении давления в осевом канале бурильной колонны труб происходит разрушение срезных штифтов 10, с совместным перемещением втулки 4, верхней и нижней разделительных пробок вниз, с подачей тампонажного раствора в межтрубное пространство скважины.
При этом верхняя и нижняя разделительные пробки вместе образуют продавочную пробку, продолжают сохранять связь между собой, вплоть до остановки на кольце «стоп», установленным на нижнем конце трубы обсадной колонны.