УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Полезная модель относится к области строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин и может быть использована для изоляции и защиты пластов при манжетном и ступенчатом цементировании скважин.
Известно устройство для ступенчатого цементирования обсадных колонн, включающее корпус с цементировочными окнами и перепускными канатами, верхнюю и нижнюю втулки на срезных элементах, посадочные седла, пакер (АС СССР №717287, Е21В 33/14, публ. 25.02.1980 г.).
Недостатком данной конструкции является отсутствие функционального клапанного механизма, управляющего доступом жидкости к пакеру и надежно изолирующего полость пакера от скачков давления, а также невозможность применения данной конструкции в скважинах малого диаметра, например 102 мм, из-за ограничений по габаритам устройств.
Известно устройство для манжетного цементирования скважин, включающее корпус и кожух с радиальными отверстиями, кольцевую заслонку, седло, поршень, втулку с седлом и пакер с манжетами (Патент RU 2386012, Е21В 33/14, публ. 10.04.2010 г.).
Недостатком данного устройства является то, что его клапанная система предназначена для работы только с гидромеханическим пакером манжетного типа, имеющего не значительный коэффициент пакеровки и не большую длину перекрытия, а также сложную конструкцию зацепления внутренних втулок.
Известно устройство для изоляции пластов в скважине, включающее корпус с циркуляционными отверстиями, составной корпус с радиальными отверстиями, кожух, образующий с составным корпусом полость, составную ступенчатую нижнюю втулку, седло, верхнюю втулку с посадочным седлом, дифференциальный клапан (поршень) и пакер (Патент RU 162769, Е21В 33/14, публ. 27.06.2016 г.).
Недостатком данного устройства, принятого за прототип, является не достаточная надежность его работы, связанная с тем, что срезные винты дифференциального клапана (поршня) могут преждевременно разрушиться от нештатного превышения давления в скважине в процессе приведения пакера в действие, что не позволит надежно запакеровать уплотнительный элемент пакера устройства, кроме того, работа устройства полностью зависит от качества изготовления этих винтов. Данным клапаном также невозможно регулировать процесс подачи жидкости к пакеру при приведении его в действие.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности работы устройства и расширение области применения.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что устройство для цементирования скважин (устройство) включает пакер с уплотнительным элементом, помещенный в нижней части устройства, корпус с циркуляционными отверстиями, соединенный с составным корпусом, имеющим радиальные отверстия, кожух, образующий с составным корпусом кольцевую полость, в которой расположен поршень, составную ступенчатую нижнюю втулку с уступом и радиальными отверстиями, закрепленную срезными элементами и помещенную против радиальных отверстий составного корпуса и циркуляционных отверстий корпуса, верхнюю втулку с посадочным седлом под цементировочную пробку, связанную с корпусом срезным элементом, по меньшей мере, одним, и помещенную над циркуляционными отверстиями корпуса, седло, помещенное в составной ступенчатой нижней втулке с перекрытием ее радиальных отверстий и связанное с ней срезным элементом, по меньшей мере, одним, согласно полезной модели, составной корпус в кольцевой полости имеет уступ и проточку, по меньшей мере, одну, а поршень подпружинен, содержит отверстие и выполнен герметично перекрывающим полость пакера от внутренней полости устройства с возможностью открытия доступа жидкости к пакеру при осевом перемещении, кроме того, устройство для цементирования скважин содержит в кольцевой полости переключатель положений устройства с фигурным пазом по его образующей, по меньшей мере, одним, состоящем из прорезей, по меньшей мере, одной короткой и одной длинной, взаимодействующий с уступом составного корпуса, палец, но меньшей мере, один, установленный одной частью в фигурном пазу переключателя положений устройства, а другой частью в отверстии поршня с возможностью перемещения по прорезям фигурного паза, при этом поршень имеет возможность перемещения на расстояние, ограниченное длиной прорезей фигурного паза за вычетом диаметра пальца.
Кроме того:
верхняя втулка может быть выполнена с наружной проточкой, в которой установлен фиксатор, а в корпусе выполнена проточка для его фиксации в конечном положении;
составная ступенчатая нижняя втулка может иметь дополнительные промежуточные срезные элементы;
седло может быть выполнено с фиксатором запорного элемента (шара);
седло может быть выполнено с фиксатором конечного положения;
между переключателем положений устройства и торцевой поверхностью одной из частей составного корпуса может быть установлена деталь;
посадочное седло может содержать фиксатор, удерживающий верхнюю цементировочную пробку при обратном проявлении;
составная ступенчатая нижняя втулка может быть закреплена дополнительным рядом основных срезных элементов;
в поршне выполнены проточки и отверстия.
Преимуществом предлагаемой конструкции является увеличение надежности работы и расширение функциональности за счет того, что устройство для цементирования скважин снабжено подпружиненным поршнем, перекрывающим доступ жидкости к пакеру и связанным посредством пальца с фигурным пазом переключателя положений устройства. Это даст возможность поршню перемещаться при повышении и сбросе давления в скважине на строго определенное расстояние, зависящее от длины конкретной прорези фигурного паза, в которой в данный момент находиться палец, что позволяет привести пакер в работу на заданном этапе технологической операции приведения оборудования обсадной колонны в действие. Кроме того, в предлагаемой конструкции отсутствует дифференциальная втулка со срезными винтами и, следовательно, исключено преждевременное закрытие путей подвода жидкости к пакеру от нештатных скачков давления в скважине или некачественного выполнения винтов.
При проведении патентных исследований не обнаружены технические решения, идентичные заявленному.
На фиг. 1 изображен общий вид устройства для цементирования скважин в транспортном положении.
На фиг. 2 изображен фигурный паз переключателя положений устройства в транспортном положении.
Устройство состоит (см. фигуры) из корпуса 1 с циркуляционными отверстиями 2, соединенного с составным корпусом 3, имеющем радиальные отверстия 4, проточку 5 для подвода жидкости к пакеру (не показан) и уступ 6, кожуха 7 ниже корпуса 1, образующего с составным корпусом 3 кольцевую полость 8, в которой расположен, подпружиненный пружиной 9, поршень 10, с возможностью перемещения вдоль оси, причем поршень 10 герметично разделяет кольцевую полость 8 на две части. В поршне 10 имеется, по меньшей мере, одно отверстие 11, в котором расположен палец 12, другой своей частью взаимодействующий с фигурным пазом 13, выполненным по образующей переключателя положений устройства 14, расположенного между уступом 6 и одной из частей составного корпуса 3 и имеющего возможность вращения относительно поршня 10. Фигурный паз 13 переключателя положений устройства 14 состоит из коротких 15 и длинной 16 прорезей, которые выполнены с длинами, обеспечивающими надежное приведение пакера в рабочее положение, В зависимости от предъявляемых требований к работе устройства количество прорезей 15 и 16 может меняться, например, при необходимости допакеровки устройства добавляется еще одна длинная прорезь 16. Палец 12 имеет возможность перемещаться по прорезям фигурного паза 13, переходя из начального положения в конечное при многократном движении поршня 10, вследствие создания и сброса давления в скважине, причем при движении пальца 12 по короткой прорези 15, две части кольцевой полости 8, расположенные по обеим сторонам поршня 10 герметично изолированы друг от друга, а при перемещении пальца 12 по длинной прорези 16, две части кольцевой полости 8 гидравлически соединяются и жидкость получает доступ из внутренней полости устройства 17 в полость пакера. Конструкция может содержать более одного пальца 12 и фигурного паза 13, а вместо уступа 6 может быть применена отдельная деталь, установленная на составном корпусе 3. Во внутренней полости корпуса 1 и составного корпуса 3, на срезных элементах 18, которые для удобства размещения могут находиться в двух сечениях, установлена составная ступенчатая нижняя втулка 19 с уступом 20 в нижней части и с радиальными отверстиями 21, гидравлически связанными с радиальными отверстиями 4. Составная ступенчатая нижняя втулка 19 перекрывает радиальные отверстия 4 и циркуляционные отверстия 2. Во внутренней полости составной ступенчатой нижней втулки 19 на срезных элементах 22 установлено седло 23, герметично перекрывающее радиальные отверстия 21 с возможностью открытия этих отверстий при его смещении до уступа 20 в случае разрушения срезных элементов 22. Во внутренней полости корпуса 1 над циркуляционными отверстиями 2 размещена верхняя втулка 24 с посадочным седлом 25 под верхнюю цементировочную пробку (не показана). Верхняя втулка 24 зафиксирована срезными элементами 26 относительно корпуса 1. Устройство для цементирования скважин включает в себя пакер (не показан) гидравлического действия с уплотнительным элементом, внутренняя полость которого гидравлически связана с кольцевой полостью 8 через проточку 5 и, через радиальные отверстия 4 и 21, может соединяться с внутренней полостью устройства 17.
Герметизация поверхностей деталей устройства обеспечивается уплотнительными кольцами 27 (на фигуре отмечено одно из них).
Седло 23 может оснащаться фиксатором конечного положения, а также устройством фиксации пускаемого с устья запорного элемента, например, шара (не показан). Для более надежного закрытия циркуляционных отверстий 2 в конце процесса цементирования, составная ступенчатая нижняя втулка 19 может оснащаться промежуточными срезными элементами, разрушаемыми в момент перекрытия циркуляционных отверстий 2 верхней втулкой 24. Для фиксации верхней втулки 24 в конечном положении в ней может устанавливаться фиксатор, а в корпусе 1 выполнена проточка под него. В посадочном седле 25 может быть предусмотрен фиксатор для удержания верхней цементировочной пробки в случае обратного перетока после окончания цементирования. Для лучшего перетекания жидкости в поршне 10 могут быть выполнены проточки и отверстия.
В связи с особенностями работы на каждой конкретной скважине, а также в зависимости от технологии приведения в работу другого оборудования, спускаемого в составе обсадной колонны (пакера, пакер-подвеска и др.) совместно с рассматриваемым устройством для цементирования скважин, технология работы с ним может меняться, соответственно, количество коротких и длинных прорезей фигурного паза также может меняться.
Устройство для цементирования скважин работает следующим образом (одна из возможных технологий работы, соответствующая пазам на фиг. 2).
После спуска обсадной колонны с данным устройством в скважину и проведения необходимых технологических операций производят пуск запорного элемента, например шара (не показан), который садиться в седло 23. После этого повышают давление в колонне труб до определенной величины, при которой происходит разрушение срезных элементов 22 и смещение седла 23 до упора в уступ 20. При этом происходит гидравлическое соединение внутренней полости устройства 17 с частью кольцевой полости 8, условно, выше поршня 10 через радиальные отверстия 21 и 4. Под действием давления поршень 10 смещается в сторону пакера на величину, равную перемещению пальца 12 по короткой прорези 15 фигурного паза 13. При этом части кольцевой полости 8 над и под поршнем 10 остаются гидравлически изолированы. После этого в колонне труб сбрасывают давление. Под действием пружины 9 поршень 10 возвращается в первоначальное положение, а палец 12 переходит в начало длинной прорези 16 фигурного паза 13. При следующем создании давления в колонне поршень 10 перемещается на величину, равную перемещению пальца 12 по длинной прорези 16 фигурного паза 13. При этом его уплотнительное кольцо выходит в зону проточки 5 составного корпуса 3 и жидкость из внутренней полости устройства 17 поступает во внутреннюю полость пакера. Происходит приведение в рабочее положение уплотнительного элемента пакера (не показан). После полного заполнения внутренней полости пакера жидкостью сбрасывают давление. При этом под действием пружины 9 поршень 10 возвращается в первоначальное положение, а палец 12 перемещается в замкнутое конечное положение в короткой прорези 15, при котором внутренняя полость пакера оказывается герметично изолирована от внутренней полости устройства 17. Затем опять создают давление в колонне, и при достижении определенного значения давления происходит разрушение срезных элементов 18, смещение составной ступенчатой нижней втулки 19, условно, вниз и открытие циркуляционных отверстий 2, через которые проводят закачку тампонажного раствора в затрубное пространство при помощи верхней цементировочной пробки (не показана). При завершении процесса продавки цементировочная пробка садиться в посадочное седло 25, происходит разрушение срезных элементов 26, смещение верхней втулки 24, условно, вниз и перекрытие циркуляционных отверстий 2. После ОЗЦ проводят разбуривание запорных элементов, седел и нижней части составной ступенчатой нижней втулки 19. Для удобства разбуривания внутренние детали устройства выполнены со стопорными выступами в торцах, а разбуриваемые детали из легко разбуриваемых материалов.
Данное описание работы показывает промышленную применимость заявленного устройства для цементирования скважин.
Таким образом, выполнение предлагаемой полезной модели с вышеуказанными признаками позволяет получить более надежное и функциональное в работе устройство.
Дополнительные источники информации:
1. Авторское свидетельство SU 1618869, Е21В 33/14, публ. 07.01.1991 г.
2. Патент RU 2409736, Е21В 33/12, публ. 20.01.2011 г.
3. Патент RU 105351, Е21В 33/14. публ. 10.06.2011 г.
4. Патент RU 2449111, E2IB 33/13, публ. 27.04.2012 г.
5. Патент RU 155716, Е21В 33/12, публ. 20.10.2015 г.