ЦЕНТРАТОР ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ
CASING CENTRALISER

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в процессе строительства скважин.
Известен пружинный центратор и его фиксатор на обсадной трубе (ПМ РФ №98220, Е21В 17/00), содержащий
- цельный корпус с центрирующими ребрами,
- соединенными с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец,
- фиксаторы пружинного центратора на обсадной трубе,
- и трубки с развальцованными концами, установленные в отверстиях нижнего кольца,
- причем фиксаторы и трубки выполнены с внешней и внутренней резьбой соответственно с возможностью ввинчивания фиксаторов до упора в обсадную трубу.
Недостатком известного центратора является низкая надежность работы, обусловленная тем, что он неподвижно соединен фиксаторами с обсадной трубой. Это обстоятельство не позволяет осуществлять вращение обсадной колонны, необходимое, например, для устранения ее прихвата в процессе спуска в скважину, поскольку центрирующие ребра, контактирующие со стенкой скважины, будут врезаться в горную породу, создавая сопротивление и препятствуя вращению обсадной колонны. При этом возможны деформация центрирующих ребер с изменением их формы и последующей поломкой, что исключает возможность выполнения известным центратором своего функционального назначения. Кроме того, обломки центрирующих ребер, застряв в зазоре между элементами компоновки обсадной колонны и стенкой скважины, могут заклинить обсадную колонну, что усугубит аварию или же не позволит осуществить спуск обсадной колонны в заданный интервал.
Таким образом, конструктивное исполнение известного центратора не обеспечивает достаточной надежности его эксплуатации.
Наиболее близким по техническому решению среди пружинных центраторов является выбранный в качестве прототипа «Пружинный центратор» (ПМ РФ №91737, Е21В 17/10), содержащий
- пружинные планки,
- и соединенные с ними крепежные элементы,
- выполненные в виде цельнокроеных обечаек, концы которых соединены сварным швом,
- причем на нижней обечайке выполнены резьбовые отверстия с установленными в них фиксирующими винтами.
Неподвижное соединение известного центратора фиксирующими винтами с обсадной колонной и соединение цельнокроеных обечаек методом сварки не обеспечивает надежности его работы по тем же обстоятельствам, что и у предыдущего аналога.
Кроме того, известный центратор обладает ограниченными эксплуатационными возможностями ввиду того, что его применение в составе обсадной колонны будет затруднять ее спуск, особенно в наклонно-направленных скважинах с большим отходом от вертикали или в скважинах с горизонтальным окончанием.
Это связано с тем, что пружинные планки известного центратора, постоянно прижатые к стенке скважины за счет упругих свойств материала, при контакте с горной породой будут врезаться и утапливаться в нее, создавая сопротивление спуску обсадной колонны. А это, в свою очередь, обусловлено конструкцией известного центратора, изготавливаемого из листовой стали в виде цельнокроеной обечайки с плоской поверхностью, ввиду чего после изготовления центратора наружная поверхность пружинных планок, обращенная к цилиндрической поверхности стенки скважины, в плоскости, перпендикулярной продольной оси центратора, будет плоской. Поэтому в поперечном сечении наружная поверхность пружинных планок будет представлять собой хорду, крайние точки которой в сечении наибольшего прогиба будут контактировать с окружностью сечения скважины, описанной вокруг пружинных планок центратора. Такое точечное взаимодействие пружинных планок со стенкой скважины будет вызывать значительное удельное давление в их контакте с горной породой и связанное с этим внедрение пружинных планок в нее, особенно в интервалах со слабосцементированными и пластичными породами.
При этом величина удельного давления в контакте пружинных планок со стенкой скважины, их внедрение в горную породу и, соответственно, сопротивление перемещению обсадной колонны будут существенно возрастать по мере увеличения угла наклона ствола скважины и будут максимальными на горизонтальном участке ствола скважины за счет воздействия массы труб обсадной колонны.
Поэтому применение известного центратора может быть ограничено только скважинами с вертикальным стволом или с незначительным отходом от вертикали.
Задачей настоящего изобретения является создание технического решения центратора обсадной колонны, лишенного перечисленных недостатков.
Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности работы центратора обсадной колонны и расширение его эксплуатационных возможностей.
Для достижения этого результата известный центратор обсадной колонны, содержащий
- корпус, установленный на обсадной трубе, выполненный из пружинной стали и включающий верхний и нижний пояса в виде цилиндрических колец, соединенных с центрирующими ребрами, выгнутыми по дуге в плоскости образующих выпуклостью наружу,
- и фиксирующие винты,
СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮ
- дополнительно снабжен ограничителями перемещения корпуса, неподвижно установленными на обсадной трубе и выполненными в виде колец с резьбовыми отверстиями, в которых установлены фиксирующие винты, взаимодействующие с обсадной трубой,
- корпус установлен на обсадной трубе с возможностью вращения и продольного перемещения,
- а наружная поверхность центрирующих ребер в диаметральной плоскости выполнена дугообразной с радиусом, равным наружному радиусу поясов корпуса.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен заявляемый центратор обсадной колонны в рабочем положении в скважине, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.
1
2
Заявляемый центратор обсадной колонны (фиг.1) содержит корпус 1, выполненный из трубы с верхним 2 и нижним 3 поясами в виде цилиндрических колец, которые соединены с центрирующими ребрами 4, равномерно расположенными по окружности и выгнутыми по дуге в плоскости образующих выпуклостью наружу. Наружная поверхность 5 центрирующих ребер 4 в диаметральной плоскости (фиг.2) выполнена дугообразной с радиусом R, равным наружному радиусу R колец поясов 2 и 3 корпуса 1.
Корпус 1 установлен с возможностью вращения и продольного перемещения между двумя ограничителями 6 перемещения корпуса 1, выполненными в виде отдельных от корпуса 1 деталей в форме колец, в которых выполнены резьбовые отверстия 7 с установленными в них фиксирующими винтами 8. В случае если компоновка обсадной колонны представлена обсадными трубами 9, оснащенными муфтами 10, количество ограничителей может быть уменьшено до одного, т.к. вторым ограничителем корпуса 1 будет являться муфта 10. При этом внутренний диаметр поясов 2 и 3 и колец ограничителей 6 больше наружного диаметра обсадной трубы 9, что обеспечивает возможность монтажа на ней корпуса 1 центратора и ограничителей 6.
1
2
3
Для изготовления заготовки корпуса 1 центратора обсадной колонны используют трубу из незакаленной пружинной стали, на которой равномерно по окружности трубы известным способом, например, лазерной резкой или фрезерованием, вырезают несколько окон с образованием поясов 2 и 3 и перемычек, из которых впоследствии формируют центрирующие ребра 4. Поэтому благодаря формированию центрирующих ребер 4 из перемычек, являющихся частью цилиндрической трубной заготовки, их наружная поверхность 5 в поперечном сечении будет выполнена по дуге с радиусом R, равным радиусу R трубной заготовки, который заведомо меньше радиуса R окружности скважины 11. При этом диаметр описанной окружности вокруг дугообразных центрирующих ребер 4 в сечении их наибольшего прогиба выполнен больше диаметра скважины 11.
Заявляемый центратор обсадной колонны работает следующим образом.
При спуске обсадной колонны центратор на устье с требуемой периодичностью устанавливают на обсадные трубы 9 (фиг.1), для чего на обсадную трубу 9 устанавливают ограничитель 6, закрепляют его, вворачивая в резьбовые отверстия 7 фиксирующие винты 8 до упора в тело трубы 9. Затем на обсадную трубу 9 устанавливают корпус 1 центратора и на некотором расстоянии от торца верхнего пояса 2, превышающем линейное удлинение корпуса 1 от деформации сжатия дугообразных центрирующих ребер 4, монтируют второй ограничитель 6. В случае если компоновка обсадной колонны представлена трубами 9, оснащенными муфтами 10, количество ограничителей может быть уменьшено до одного, т.к. вторым ограничителем корпуса 1 будет являться муфта 10.
Поскольку в исходном состоянии при изготовлении центратора диаметр описанной окружности вокруг дугообразных центрирующих ребер 4 в сечении их наибольшего прогиба был больше диаметра скважины 11, то при спуске обсадной колонны и проходе заявляемого центратора по стволу скважины ребра 4, контактируя со стенкой скважины 11, будут сжиматься, несколько увеличивая длину корпуса 1. Этому не будут препятствовать ограничители 6, заранее установленные друг от друга на расстоянии, обеспечивающем возможность беспрепятственного продольного перемещения корпуса 1 на обсадной трубе 9.
1
3
При этом, благодаря тому, что наружная поверхность 5 центрирующих ребер 4 в поперечном сечении выполнена по дуге с радиусом R, который меньше радиуса R окружности скважины 11, контакт ребер 4 со стенкой скважины 11 будет в точке, расположенной на образующей, симметрично делящей центрирующие ребра 4 вдоль на две половины. Поэтому при возрастании усилия в контакте ребра 4 со стенкой скважины 11, например, при увеличении угла наклона ее ствола и, соответственно, увеличения усилия воздействия от массы обсадной трубы, внедрения ребра 4 в горную породу происходить не будет, поскольку удельное давление не будет возрастать из-за увеличения площади контакта ребра 4 и его скольжения по стенке скважины 11. Тем самым, заявляемый центратор, изготавливаемый из трубной заготовки, будет обладать более расширенными эксплуатационными возможностями по сравнению с аналогом и прототипом, изготавливаемых из листовой стали, ввиду того, что его применение в составе обсадной колонны не будет затруднять ее спуск, особенно в наклонно-направленных скважинах с большим отходом от вертикали или в скважинах с горизонтальным окончанием.
Поскольку корпус 1 заявляемого центратора отделен от ограничителей 6 и установлен на обсадной трубе 9 с возможностью продольного перемещения и вращения, он не будет препятствовать провороту или вращению последней, например, для предотвращения или ликвидации прихвата. Это повышает надежность эксплуатации и расширяет эксплуатационные возможности заявляемого центратора по сравнению с аналогом и прототипом, жесткое крепление которых на обсадной трубе не обеспечивает возможности ее вращения.
Таким образом, совокупность отличительных свойств заявляемого центратора обеспечивает по сравнению с аналогом и прототипом:
- повышение надежности его работы,
- расширение эксплуатационных возможностей.