УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНЫХ КОЛОНН БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА
DEVICE FOR CEMENTING CASING STRING OF LARGE DIAMETER

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности, к технологии цементирования колонн обсадных труб большого диаметра через бурильную трубу в нефтяных и газовых скважинах.
Известно устройство для цементирования обсадной колонны в скважине, включающее "стоп-кольцо" в виде заглушенного снизу патрубка с продольными пазами и радиальными каналами, с кольцевым уступом вверху и конусной поверхностью внизу, телескопически к которому в нижней муфте обсадной колонны установлено нижнее опорное кольцо, снабженное срезными элементами, свободные концы которых входят в продольные пазы патрубка, и имеющее в нижнем торце конусную расточку, адекватную конусной поверхности патрубка, при этом устройство снабжено верхней муфтой с установленным в ней верхним опорным кольцом, выполненным с кольцевой расточкой на внутренней поверхности в нижней части, внутренний диаметр которого равен наружному диаметру заглушки, расположенной на нижнем конце промывочных труб и выполненной в виде двух телескопически соединенных деталей, верхняя из которых жестко связана с промывочными трубами, а нижняя соединена с верхней деталью срезными элементами и снабжена пружинным фиксатором на наружной поверхности, над заглушкой имеются радиальные каналы, соединяющие внутреннюю полость промывочных труб с межколонным пространством, причем нижняя и верхняя муфты соединены патрубком [Патент РФ №2271437, E21B 33/14, опубл. 10.03.2006].
Недостатком этого устройства является необходимость перемещать в осевом направлении промывочные трубы с заглушкой в процессе цементирования колонн, а также большая вероятность возникновения избыточных осевых нагрузок при посадке промывочных труб на узлы устройства, установленные в башмачной части обсадной колонны, и их повреждение; возможность повреждения уплотнительных элементов при спуске или размыве при циркуляции технологических жидкостей через устройство, что может привести к негерметичности и, как следствие, возникновению перетока тампонажного раствора внутрь обсадной колонны в начальный период ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ); повышенный расход тампонажного раствора из-за больших зон перемешивания с буровым раствором; необходимость разбуривания большого количества деталей в башмачной части обсадной колонны.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для цементирования обсадных колонн через колонну труб малого диаметра, содержащее корпус с размещенными в нем цементной и раструбной втулками, ниппельный переходник с уплотнительными элементами, обратный клапан с дросселем и продавочную пробку с сердечником и расположенной на нем манжетами, устройство также снабжено нижней цементировочной пробкой, сердечник которой на верхнем торце имеет торцевые прорези, а сердечник продавочной пробки выполнен со сквозным каналом, нижний конец которого перекрыт эластичным элементом, закрепленным с двух противоположных концов колпачковой гайкой, выполненной с поперечным сквозным каналом, причем ниппельный переходник выполнен с упором для нижней пробки и окнами, размещенными между уплотнительными элементами и расположенными на высоте от упора [а.с. СССР №1002530, E21B 33/14, опубл. 07.03.1983].
Недостатком этого устройства является необходимость перемещать в осевом направлении колонны труб малого диаметра с ниппельным переходником в процессе цементирования колонн, а также большая вероятность возникновения избыточных осевых нагрузок при посадке колонны труб малого диаметра в раструбную втулку башмачной части обсадной колонны, что может привести к их разрушению; возможность повреждения уплотнительных элементов при спуске, что может привести к негерметичности соединения узлов.
Задачей изобретения является создание устройства, которое бы обеспечивало повышение качества цементирования обсадных колонн большого диаметра.
Технический результат - повышение качества цементирования колонн и упрощение технологических операций при цементировании колонн.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в предлагаемом устройстве для цементирования обсадных колонн большого диаметра, содержащем башмачный узел, стыковочный инструмент и продавочную пробку, башмачный узел содержит корпус с размещенными в нем цементным стаканом с посадочной втулкой и обратным клапаном с дросселем, стыковочный инструмент содержит шток с уплотнительными элементами, в средней части штока выполнены циркуляционные радиальные отверстия, нижняя часть штока снабжена упором для посадки продавочной пробки, в отличие от прототипа шток стыковочного инструмента оснащен кожухом и демпферной пружиной, демпферная пружина расположена выше кожуха, при этом кожух зафиксирован на штоке срезным винтом в положении, перекрывающем уплотнительные элементы, внутри штока размещена подвесная втулка, зафиксированная срезным винтом для перекрытия указанных циркуляционных радиальных отверстий, а продавочная пробка в нижней части имеет уплотнительные элементы и проточки для фиксации.
Отличительным признаком заявляемого изобретения является особенность конструкции, позволяющая получить надежную герметизацию устройства на весь период цементирования. Для этого на штоке стыковочного инструмента размещен кожух, взаимодействующий с демпферной пружиной, обеспечивающей мягкую посадку стыковочного инструмента в башмачный узел, а срезной винт на штоке сигнализирует о начале посадки вследствие возникновения осевого усилия, обеспечивающего срезку винтов, положение кожуха, перекрывающее уплотнительные элементы, предохраняет их от повреждения при спуске и от размыва при промывках, размещенная внутри штока подвесная втулка, зафиксированная срезным винтом, закрывает циркуляционные радиальные отверстия в средней части штока и позволяет перенаправить поток закачиваемых жидкостей без дополнительных операций, а продавочная пробка в нижней части имеет уплотнительные элементы для герметизации внутреннего канала штока и проточки для фиксации ее в упоре штока.
На фиг.1 показано заявляемое устройство в исходном положении перед посадкой стыковочного инструмента в башмачный узел, стрелками показано направление движения технологических жидкостей; на фиг.2 - в положении после посадки стыковочного инструмента в башмачный узел; на фиг.3 - в положении после продавки тампонажного раствора и посадки продавочной пробки, стрелками показано направление движения технологических жидкостей.
Устройство для цементирования обсадных колонн большого диаметра состоит из башмачного узла 1, стыковочного инструмента 2 и продавочной пробки 3. Башмачный узел 1 включает корпус 4 с размещенными в нем цементным стаканом 5 и посадочной втулкой 6, обратный клапан 7 с дросселем 8. В зависимости от глубины спуска колонн обратный клапан может отсутствовать в составе башмачного узла 1.
Стыковочный инструмент 2 содержит шток 9 с уплотнительными элементами 10, а в нижней части штока 9 выполнен упор 12 для посадки продавочной пробки 3.
На штоке 9 размещен кожух 13, взаимодействующий с демпферной пружиной 14 и зафиксированный на штоке 9 срезным винтом 15 в положении, перекрывающем уплотнительные элементы 10, внутри штока 9 размещена подвесная втулка 16, зафиксированная срезным винтом 17, которая закрывает циркуляционные радиальные отверстия 11 в средней части штока 9.
Продавочная пробка 3 в нижней части имеет уплотнительные элементы 18 для герметизации внутреннего канала штока 9 и проточки 19 для фиксации ее в упоре 12 штока 9.
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском обсадной колонны в скважину на ее нижнюю обсадную трубу (не показана) присоединяют башмачный узел 1 и спускают в скважину до проектной глубины. Заполнение обсадной колонны технологической жидкостью происходит через обратный клапан или через центральный канал (не показан). Затем стыковочный инструмент 2 присоединяют к трубе колонны бурильных труб и спускают внутрь обсадной колонны до посадки в башмачный узел 1. При посадке стыковочного инструмента 2 в башмачный узел 1 для предотвращения жесткой стыковки в момент касания кожуха 13 с посадочной втулкой 6 при расчетной осевой нагрузке на башмачный узел срезается винт 15, что отмечается на устье индикатором веса. После чего пуск стыковочного инструмента 2 ограничивают длиной, не превышающей длину хода кожуха 13 на штоке 9. При этом демпферная пружина 14, взаимодействуя со штоком 9 и кожухом 13, смягчает посадку стыковочного инструмента 2 в башмачный узел 1, а уплотнительные элементы 10 входят в посадочную втулку 6 и герметизируют внутритрубное пространство от затрубного пространства.
Затем проводят цементирование обсадной колонны по проектной технологии, по окончании закачивания тампонажного раствора пускают продавочную пробку 3 и продавливают ее до посадки в упор 12. В момент прохождения внутри штока 9 продавочная пробка 3 сдвигает подвесную втулку 16, зафиксированную срезным винтом 17 и вследствие этого открывает циркуляционные радиальные отверстия 11 в средней части штока 9.
При посадке продавочной пробки 3 уплотнительные элементы 18 герметизируют внутренний канал штока 9, а проточки 19 фиксируют продавочную пробку 3 в упоре 12 штока 9, тем самым достигают герметизации заколонного пространства от внутритрубного. Циркуляцию продавочной жидкости осуществляют через циркуляционные радиальные отверстия 11, это позволяет поддерживать необходимую величину положительной температуры в скважине за счет циркуляции промывочной жидкости после окончания продавки в течение всего периода ОЗЦ, а также обеспечить расчетный тепловой режим твердения тампонажного раствора в интервалах низких и отрицательных температур на стенках скважины. Кроме того, создание температурного режима с постоянной величиной в скважине в период ОЗЦ предотвращает температурные деформации обсадной колонны.
Пример реализации заявляемого устройства для цементирования обсадных колонн большого диаметра через бурильные трубы рассмотрен при цементировании направления диаметром 530 мм с глубиной спуска 40 м.
Перед спуском обсадной колонны, которая состоит из труб 530x8,0-К52 - ТУ 14-3-1970-97, в скважину на ее нижнюю обсадную трубу присоединяют башмачный узел 1 и спускают в скважину до проектной глубины. Заполнение обсадной колонны осуществляют через центральный канал башмачного узла 1. Обратный клапан в этом случае отсутствует в составе башмачного узла 1. Затем стыковочный инструмент 2 присоединяют к нижней трубе колонны бурильных труб диаметром 127 мм (ТБПВ 127x9,2) и спускают внутрь обсадной колонны до посадки в башмачный узел 1.
Меру бурильной колонны подбирают таким образом, чтобы стыковочный инструмент 2 полностью заходил в башмачный узел 1 и обеспечивал полную разгрузку бурильной колонны, а верхний замок бурильных труб находился над ротором буровой установки таким образом, чтобы обеспечить процесс цементирования и пуска продавочной пробки 3. Полную разгрузку бурильной колонны осуществляют для того, чтобы предотвратить ее выталкивание из скважины в процессе цементирования, особенно в конце продавки тампонажного раствора.
В момент посадки стыковочного инструмента 2 в башмачный узел 1 срезаются винты 15, что отмечается на устье индикатором веса, для снижения скорости спуска колонны и предотвращения жесткой стыковки кожуха 13 с посадочной втулкой 6. После чего пуск стыковочного инструмента ограничивают длиной, не превышающей длину хода кожуха 13 на штоке 9. При этом демпферная пружина 14, взаимодействуя со штоком 9 и кожухом 13, смягчает окончательную посадку стыковочного инструмента 2 в башмачный узел 1, а уплотнительные элементы 10 входят в посадочную втулку 6 и герметизируют внутритрубное пространство от затрубного. В результате этого циркуляция технологических жидкостей осуществляется по бурильным трубам через башмачный узел 1 и заколонное пространство. После окончания спуска рабочей бурильной колонны осуществляют промывку скважины и подготовку к цементированию обсадной колонны.
Цементирование обсадной колонны проводят по стандартной технологии. В соответствии с планом работ в процессе цементирования колонны осуществляют закачку буферной жидкости и тампонажного раствора. С целью получения подъема цемента за обсадной колонной до устья закачку тампонажного раствора осуществляют до выхода его на устье, после чего пускают продавочную пробку 3 и продавливают до посадки в упор 12.
В момент, когда продавочная пробка 3 проходит внутри штока 9, открываются циркуляционные радиальные отверстия 11. Дальнейшая циркуляция продавочной жидкости осуществляется через бурильные трубы, указанные радиальные отверстия 11 и кольцевое пространство между обсадной колонной и бурильными трубами. Это позволяет поддерживать необходимую величину положительной температуры в скважине в период ОЗЦ.
При посадке продавочной пробки 3 уплотнительные элементы 18 герметизируют внутренний канал штока 9, а проточки 19 фиксируют продавочную пробку 3 в упоре 12 штока 9, что предотвращает обратный переток тампонажного раствора из заколонного пространства через башмачный узел 1 внутрь колонн.
После проведения всех операций, предусмотренных планом работ по креплению колонны из скважины, извлекают стыковочный инструмент 2 с продавочной пробкой 3.
Использование устройства для цементирования обсадных колонн большого диаметра позволяет получить следующие преимущества по сравнению с традиционно используемой технологией цементирования обсадных колонн:
- обеспечивается проведение процесса цементирования с максимальным расходом закачиваемой жидкости и обеспечением высокой скорости восходящего потока;
- улучшается степень замещения бурового раствора тампонажным и обеспечивается подъем тампонажного раствора за обсадной колонной до устья;
- значительно или полностью уменьшается зона смешения тампонажного раствора с буровым раствором;
- позволяет проводить процесс цементирования с использованием буровых насосов и одного цементировочного агрегата для закачки последней порции продавочной жидкости и получения сигнала стоп;
- исключается необходимость использования крупногабаритных цементировочных пробок и цементировочных головок.