Теплоизолирующее направление

Полезная модель относится к устройствам, применяемым при бурении скважин, и предназначена для использования в нефтегазодобывающей промышленности при обустройстве скважин в условиях многолетней мерзлоты для предотвращения их растепления.
Известно термоизолирующее направление типа «Джол» (В.Ф. Буслаев, П.С. Бахметьев, С.А. Кейн, В.М. Юдин. Строительство скважин на Севере: Монография. - Ухта: УГТУ, 2000. - с. 169-170, рис. 6.7), которое применяют в процессе бурения для предотвращения растепления окружающих мерзлых пород и промерзания оборудования в процессе бурения. Термоизолирующее направление содержит внутреннюю и наружную коаксиальные трубы с размещенным между ними теплоизолирующим материалом и выполнено сварным из двух девятиметровых секций.
Основными недостатками термоизолирующего направления являются сложности при сборке и установке в скважину. Для обеспечения качества сварки сборку направления выполняют в горизонтальном положении, т.к. сварка в вертикальном положении осложнена необходимостью удержания гладких труб в устье скважины и обеспечением их соосности. Собранная из двух частей труба имеет большую длину, что существенно затрудняет установку направления в скважину. Кроме того, технически возможная высота подъема грузоподъемного оборудования скважины накладывает ограничение на конечную длину направления.
Известно термоизолирующее направление (патент РФ №160010, Е21В 36/00, опубл. 27.02.2016), выполненное сборно-разборным, каждая секция которого содержит внутреннюю и наружную трубы и размещенный между ними теплоизоляционный материал. Термоизолирующее направление состоит из двух и более секций, каждая из которых в зоне стыка имеет выступающие из наружной трубы концы внутренней трубы. Нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством резьбовой муфты. Зона стыка наружных труб каждой секции перекрывается обечайкой, а каждая полость между обечайкой и связанными между собой посредством резьбовой муфты соединения внутренними трубами заполнена теплоизоляционным материалом.
Недостатком известного термоизолирующего направления является низкая монтажная технологичность резьбового соединения. Для его монтажа необходимо использование специального оборудования для захвата и подъема секций направления на буровую (элеваторы). При соединении секций должна быть обеспечена их соосность, а свинчивание должно выполняться с заданным моментом с применением специальных механизированных ключей. Применяемое на скважинах оборудование для указанных операций предназначено для типоразмеров обсадной колонны и не может быть использовано для монтажа термоизолирующих направлений, т.к. их наружный диаметр превышает диаметр обсадной колонны. Кроме того, для исключения механических повреждений, загрязнений и коррозии резьбы требуются значительные затраты для упаковки, хранения и транспортирования крупногабаритных секций к месту монтажа.
Известно теплоизолирующее направление (патент РФ №182283, Е21В 36/00, опубл. 13.08.2018), принятое за прототип, которое выполнено сборно-разборным и содержит по меньшей мере две секции, каждая секция которого состоит из коаксиально расположенных внутренней и наружной труб, полость между которыми заполнена теплоизоляционным материалом. Концы внутренних труб выступают из наружных труб и образуют между смежными секциями разборное соединение, в зоне которого установлен защитный кожух. Каждая полость между защитным кожухом и соединениями внутренних труб заполнена теплоизоляционным материалом. Внутренняя и наружная трубы каждой секции жестко связаны между собой посредством кольцевых торцевых заглушек.
Недостаток прототипа заключается в низкой монтажной технологичности. При монтаже теплоизолирующего направления с трубным резьбовым соединением необходимо специальное оборудование для захвата и свинчивания секций. При монтаже направления с механическим креплением элементов сборка соединения связана с высокой трудоемкостью, а массивность конструкции узла с механическим креплением не позволяет установить в зоне соединения секций теплоизолирующий материал достаточной толщины, что приводит к тепловым потерям в окружающую среду. Для обеспечения сохранности уплотнительных поверхностей разборного соединения секций требуется выполнение условий упаковки, транспортирования и хранения.
Кроме того, при использовании внутренней трубы направления с наружным диаметром более 426 мм требуется конструирование и изготовление нестандартных узлов для соединения секций (резьбовых элементов, фланцев), несущая способность которых ограничивает максимальную длину спускаемых в скважину секций.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание устройства, технологичного при монтаже на скважине с повышенными эксплуатационными характеристиками и компактным узлом соединения, увеличении количества стыкуемых секций направления.
Технический результат заключается в обеспечении технологичности монтажа за счет повышения скорости и удобства сборки при одновременном расширении диапазона диаметров внутренних труб и увеличении надежности и долговечности соединения секций теплоизолирующего направления.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в теплоизолирующем направлении буровой скважины, включающем по меньшей мере две секции, каждая секция которого содержит коаксиально расположенные внутреннюю и наружную трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом и выполнена с выступающими из наружной трубы концами внутренней трубы, наружная и внутренняя трубы каждой секции жестко соединены между собой с помощью кольцевых торцевых заглушек, при этом выступающие концы внутренних труб смежных секций связаны между собой посредством соединительной муфты, наружные трубы снабжены опорными элементами, зона стыка наружных труб каждой секции перекрыта защитным кожухом, опирающимся торцем на опорные элементы, а каждая полость между защитным кожухом и связанными между собой посредством муфты внутренними трубами заполнена теплоизоляционным материалом, согласно полезной модели, соединительная муфта закреплена на концах внутренних труб смежных секций посредством сварного соединения. Кроме того, направление может быть снабжено съемной опорой, закрепляемой на опорных элементах, а также может быть снабжено строповыми устройствами.
Полезная модель поясняется чертежом, на котором изображен общий вид теплоизолирующего направления, состоящего из двух секций, в продольном разрезе.
Теплоизолирующее направление состоит, в частности, из двух секций 1 и 2, каждая из которых содержит коаксиально расположенные внутреннюю трубу 3 и наружную трубу 4. Трубы 3 и 4 каждой секции герметично и неразъемно соединены между собой кольцевыми торцевыми заглушками 5, например, посредством кольцевых сварных соединений. Полость между трубами 3 и 4 заполнена теплоизоляционным материалом 6. В зоне соединения секций 1 и 2 конец внутренней трубы 3 секции 2, выступающий из наружной трубы 4, соединен с муфтой 7 посредством сварного соединения, например, нахлесточного. Зона стыка наружных труб 4 каждой секции 1 и 2 перекрыта защитным кожухом 8, который может быть установлен, в частности, внахлест на наружные трубы 4. Защитный кожух 8 торцами опирается на опорные элементы 9, расположенные на наружных трубах 4 смежных секций. Защитный кожух 8 может быть зафиксирован с помощью сварного соединения или хомутов (на чертеже не показаны), выполненных, например, в виде стальных полуколец, стягиваемых болтами. Полость между защитным кожухом 8 и внутренними трубами 3 заполнена теплоизоляционным материалом 6. В зависимости от применяемого оборудования на буровой скважине при монтаже направления может быть использована опора 10.
Теплоизолирующее направление может быть снабжено строповыми устройствами (на чертеже не показаны), в частности петлями, расположенными на концах каждой секции, повышающими удобство погрузочно-разгрузочных работ, например, при подъеме на буровую.
Соединение внутренних труб смежных секций направления между собой выполнено при помощи соединительной муфты, сопоставимой по толщине с толщиной внутренних труб, посредством сварного соединения, что обеспечивает соединение внутренних труб любого диаметра без значительного утолщения в зоне стыка и позволяет расширить диапазон диаметров внутренних труб направления. Кроме того, достигается равнопрочность соединения с основным металлом труб, что повышает надежность и долговечность направления в целом.
Выполнение соединения внутренних труб смежных секций посредством сварного соединения исключает использование оборудования для свинчивания труб больших диаметров и снижает трудозатраты, необходимые при выполнении разборного механического соединения внутренних труб.
Горизонтальный нахлесточный шов технологичен в условиях монтажа, на его выполнение затрачивается, в частности менее часа при толщине трубы и муфты 8 мм.
Секции теплоизолирующего направления не требуют выполнения особых условий транспортирования и хранения, т.к. не содержат элементов с точно обработанными резьбовыми или уплотнительными поверхностями.
Применение съемной опоры, которая надежно фиксируется на опорных элементах и может быть быстро переставлена на следующую секцию, повышает удобство монтажа теплоизолирующего направления и облегчает спуск в скважину. Съемная опора позволяет зафиксировать нижнюю секцию направления на скважине и освободить элеватор для подъема и установки следующей секции, что позволяет использовать один стандартный элеватор.
Изготовление теплоизолирующего направления и монтаж на буровой скважине осуществляют следующим образом. В приведенном примере каждая из четырех секций теплоизолирующего направления содержит внутреннюю стальную трубу диаметром 530 мм и наружную стальную трубу диаметром 630 мм, изготавливаемые в заводских условиях по известной технологии «труба в трубе», при этом торцевые заглушки жестко соединены с внутренней и наружной трубами. В качестве теплоизоляционного материала может быть использован, например, двухкомпонентный пенополиуретан, который после заполнения выдерживается до полной полимеризации.
На одном из концов внутренней трубы каждой секции в заводских условиях приваривается муфта, выполненная, например, в виде вальцованной обечайки.
Установку и сборку теплоизолирующего направления на скважине осуществляют с помощью стандартного оборудования буровой установки. Элеватор устанавливают под муфту, приваренную к верхнему концу внутренней трубы секции. Первую по порядку спуска секцию подают на скважину, на верхнем конце наружной трубы устанавливают опору, после чего секцию опускают до соприкосновения опоры с ротором. Опора для удобства монтажа может быть выполнена, например из двух полухомутов, а опорные элементы будут предотвращать ее смещение под весом направления.
Элеватор освобождают и подают с его помощью следующую секцию, устанавливая нижний конец ее внутренней трубы в муфту первой секции, и выполняют сварку стыка. Полученное сварное соединение не уступает по прочности основному металлу внутренних труб, что обеспечивает высокую надежность и долговечность направления.
Затем на область стыка устанавливают теплоизоляцию, например в виде скорлуп из пенополиуретана, которые перекрывают защитным стальным кожухом. Защитный кожух торцами устанавливают на опорные элементы, расположенные на трубах смежных секций, и фиксируют посредством хомутов или сварки. Соединенные секции приподнимают, освобождают опору, устанавливают ее на верхний конец второй секции и опускают секции в скважину до соприкосновения опоры с ротором. Процесс повторяют до получения направления, в частности из четырех секций, после чего выполняют его цементирование в скважине.
Применение предлагаемого теплоизолирующего направления позволяет осуществлять его установку в скважину с использованием стандартного оборудования буровой установки, повысить скорость и удобство монтажных операций, а также увеличить надежность и долговечность соединения секций с одновременным расширением диапазона диаметров внутренних труб направления.