Устройство для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях
DEVICE FOR CEMENTING OF CASING STRINGS IN COMPLICATED CONDITIONS

Изобретение относится к области строительства нефтяных скважин, а именно к устройствам для цементирования обсадной колонны в скважине с осложнениями, связанными с наличием больших каверн и поглощающих пластов.
Известно устройство для селективной изоляции продуктивного пласта при цементировании обсадных колонн (патент RU № 2584702, МПК Е21В 33/13, 33/14, опубл. 20.05.2016, бюл. № 14), содержащее корпус с пакерующими узлами на концах, четыре кожуха с байпасными каналами для пропуска тампонажной смеси, расположенные на корпусе по окружности через 90°С, и радиальные отверстия между ними, причем указанные кожухи выполнены сквозными, между ними расположены полые сектора, перекрытые пакерующими фланцами и ограниченные стенками соседних кожухов и стенкой корпуса, в которой выполнены радиальные отверстия, кроме того, внутри корпуса на кольцевом выступе установлена с возможностью поворота круговая заслонка с отверстиями, расположенными по отношению к отверстиям корпуса со сдвигом на 45°С, при этом на внутренней поверхности корпуса имеются выступы, на уровне которых на торцевой поверхности круговой заслонки расположены ответные выступы, имеющие возможность зацепления с планшайбой насосно-компрессорных труб для добычи пластового флюида.
Недостатком известного способа является сложность конструкции, а именно то, что само устройство отдельно включается в состав обсадной колонны на резьбовых соединениях и имеет сложную конструкцию закрывающихся и открывающихся заслонок, через которые происходит сообщение внутреннего пространства обсадной колонны с заколонным пространством при определенном расположении заслонок. Соединение устройства с обсадными трубами с помощью резьбы, предполагает захват снаружи устройства машинными ключами, что в свою очередь может привести к повреждению кожухов устройства и неправильной работе всего устройства.
Наиболее близким является устройство для заканчивания скважин (патент RU № 2091564, E21B 33/14, опубл. 27.09.1997), включающее составной корпус с пакерующими узлами по концам – верхней и нижней частями, каналы для прохождения растворов между верхней и нижними частями, выполненные в виде прилегающих к корпусу продольных труб (швеллеров) и расположенных по окружности через 90°, общее сечение которых составляет по меньшей мере 20 % сечения кольцевого пространства между стенками скважины и обсадной колонной с выполненными между указанными трубами перфорационными отверстиями, закрытыми кислото-растворимыми заглушками, которые после цементирования растворяются, обеспечивая сообщение с пластом.
Недостатком известного устройства является то, что каналы для прохождения цемента в виде труб составляют только 20 % сечения кольцевого пространства между стенками скважины и обсадной колонной, что в свою очередь не обеспечивает полного заполнения заколонного пространства в данном участке, тем самым в дальнейшем возможна ранняя коррозия участков обсадной трубы, не защищенных цементом. Также при малом проходном сечении, по которому будет двигаться цементный раствор в процессе цементирования, возможны увеличения давления, которые могут привести к аварийной ситуации.
Техническими задачами являются повышение эффективности цементирования обсадной колонны в скважине за счет гарантированного подъема цементного раствора за обсадной колонной до устья, повышение качества цементирования обсадных колонн в скважинах с остаточными поглощениями бурового раствора, устранение фильтрации цементного раствора при прохождении проницаемых участков ствола скважины, исключение аварийных ситуаций в процессе цементирования, а также упрощение конструкции устройства и технологии установки последнего на обсадной трубе.
Технические задачи решаются устройством для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях, включающим составной корпус с верхней и нижней частями, каналы для прохождения растворов между верхней и нижними частями.
Новым является то, что верхняя и нижняя части корпуса устройства представляют собой два отдельных внутренних цилиндра – верхний и нижний с наружной резьбой, а каналы для прохождения растворов между верхним и нижним внутренними цилиндрами выполнены в виде резинового рукава, закрепленного к верхнему и нижнему внутренним цилиндрам путем зажатия концов резинового рукава верхним и нижним прижимными цилиндрами с внутренней резьбой соответственно, причем на нижнем конце нижнего прижимного цилиндра и на верхнем конце верхнего прижимного цилиндра выполнены  конусные направляющие расточки, обеспечивающие направленное движение цементного раствора внутрь резинового рукава с возможностью его расширения в радиальном направлении, при этом в верхнем и нижнем внутренних цилиндрах выполнены внутренние проходные проточки, расположенные по окружности цилиндров через 90°, причем нижний внутренний цилиндр закреплен  к обсадной трубе с помощью прижимных винтов, а верхний внутренний цилиндр находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси трубы вниз под действием гидростатического столба жидкости после окончания цементирования.
Также новым является то, что резиновый рукав выполнен из набухающего в жидкости эластомера, при этом в качестве набухающего в жидкости эластомера выбран водонабухающий полимер или нефтенабухающий каучук.
На фиг. 1 изображено устройство для обеспечения подъёма цемента до устья в скважинах с наличием осложненных зон.
На фиг. 2 изображено устройство для обеспечения подъёма цемента до устья в скважинах с наличием осложненных зон, вид сверху.
На фиг. 3 показана схема реализации способа цементирования обсадной колонны.
Устройство для цементирования обсадных колонн, устанавливаемое на   обсадной трубе 1 (фиг. 1), включает составной корпус с верхней и нижней частями, которые представляют собой два отдельных внутренних цилиндра - верхний внутренний цилиндр 2 и нижний внутренний цилиндр 3 с наружной резьбой на верхнем внутреннем цилиндре 2 и наружной резьбой на нижнем внутреннем цилиндре 3. Каналы для прохождения растворов между верхним 2  и нижним  3 внутренними цилиндрами выполнены в виде резинового рукава 4, закрепленного к верхнему  2 и нижнему  3 внутренним цилиндрам путем зажатия концов резинового рукава 4 верхним  5 и нижним  5ꞌ прижимными цилиндрами с внутренней резьбой соответственно. Верхний прижимной цилиндр 5 и нижний прижимной цилиндр 5ꞌ при сборке соединяются с верхним внутренним цилиндром 2 и нижним внутренним цилиндром 3 соответственно с помощью резьбового соединения, тем самым плотно зажимая концы резинового рукава 4.
Верхний прижимной цилиндр 5 в верхней части и нижний прижимной цилиндр 5ꞌ в нижней части имеют конусные направляющие расточки 6, обеспечивающие направленное движение цементного раствора внутрь резинового рукава 4, который образует байпасные каналы для движения цементного раствора вдоль обсадной трубы 1 вверх с возможностью его расширения в радиальном направлении. В верхнем 2 и нижнем 3 внутренних цилиндрах выполнены внутренние проходные проточки 7 (фиг. 1, 2), расположенные по окружности верхнего внутреннего цилиндра 2 (фиг. 1) и нижнего внутреннего цилиндра 3 через 90 °. Причем нижний внутренний цилиндр 3 закреплен к обсадной трубе 1 с помощью прижимных винтов 8, а верхний внутренний цилиндр 2 находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси обсадной трубы 1 вниз под действием гидростатического столба жидкости после окончания цементирования.
В качестве материала резинового рукава 4 выбран набухающий в жидкости эластомер, при этом в качестве набухающего эластомера выбран водонабухающий полимер (например, описанный в патенте RU № 2580564, опубл. 10.04.2016, или в патенте RU№ 70543, опубл. 27.01.2008) или нефтенабухающий каучук (например, описанный в патенте RU № 2625108, опубл. 11.07.2017).
Устройство для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях работает следующим образом.
По согласованию с геологической и технологической службами бурового предприятия уточняют место установки устройства. Перед спуском в скважину устройство для цементирования обсадных колонн, включающее верхний внутренний цилиндр 2 и нижний внутренний цилиндр 3, надевают на обсадную трубу 1 (фиг.1) обсадной колонны и с помощью прижимных винтов 8 закрепляют нижний внутренний цилиндр 3 устройства к обсадной трубе 1. При этом верхний внутренний цилиндр 2 находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси обсадной трубы 1 вниз под действием гидростатического столба жидкости (цементного раствора) после окончания цементирования. Выше и ниже устройства на расстоянии 0,5-1 м устанавливают центраторы (на фиг. 1-3 не показаны), выполняющие защитную роль за счет центрирования обсадной трубы 1 (фиг.3) на данном участке относительно стенок ствола скважины.
После закрепления устройства на обсадной трубе 1, колонну обсадных труб спускают в скважину до пробуренного забоя скважины. В процессе спуска обсадной колонны восходящий поток промывочной жидкости проходит как за устройством между стенкой скважины, так и внутри резинового рукава 4 по внутренним проходным проточкам 7 (фиг. 1, 2) самого устройства через образующуюся сквозную полость, не нарушая процесс промывки ствола скважины буровым раствором.
Далее с помощью цементировочных агрегатов расчетный объем цементного раствора закачивают в заколонное пространство скважины. При этом цементный раствор, проходя в осложненном участке ствола скважины, попадает внутрь устройства за счет разности площадей внутри полости устройства и за устройством между стенкой скважины (площадь кольцевого сечения внутри полости резинового рукава 4 (фиг. 1)  больше площади сечения заколонного пространства между устройством и стенкой скважины) и наличия конусных направляющих расточек 6 (фиг. 1)  в верхней части верхнего прижимного цилиндра 5 и нижней части нижнего прижимного цилиндра 5ꞌ. Далее  цементный раствор беспрепятственно проходит вверх до выхода на устье скважины. После заполнения заколонного пространства цементным раствором и остановки процесса цементирования под действием гидростатического давления столба цементного раствора, стремящегося внутрь полости устройства за счет наличия конусных направляющих расточек 6 (фиг. 3) в верхней части верхнего прижимного цилиндра 5, верхний внутренний цилиндр 2 (незакрепленная часть) перемещается вниз относительно оси трубы 1. При этом резиновый рукав 4 расправляясь расширяется в радиальном направлении, и надежно перекрывает осложненный участок ствола скважины. Таким образом, цементный раствор изолируется от осложненного участка ствола скважины и в результате чего образуется надежная цементная крепь на всем протяжении обсадной колонны.
Предлагаемое устройство имеет простую конструкцию, легко крепится на теле обсадной трубы, не нарушая целостность обсадной колонны. Наличие предлагаемого устройства в составе обсадной колонны позволяет штатно провести процесс цементирования обсадной колонны с гарантированным подъемом цементного раствора до устья. В результате использования предлагаемого устройства исключаются аварийные ситуации, связанные с фильтрацией цементного раствора в интервалах поглощающих пластов и дополнительные временные затраты в случае цементирования скважины двухступенчатым способом. Таким образом в интервале поглощающего пласта образуется крепкое защитное цементное кольцо, исключающее образование заколонных перетоков и преждевременной коррозии стальных обсадных труб.
Применение предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность цементирования обсадной колонны в скважине за счет гарантированного подъема цементного раствора за обсадной колонной до устья, повысить качество цементирования обсадных колонн в скважинах с остаточными поглощениями бурового раствора, устранить фильтрацию цементного раствора при прохождении проницаемых участков ствола скважины, а также исключить аварийные ситуации в процессе цементирования.