РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПУАНСОН (ВАРИАНТЫ)
ADJUSTABLE PUNCH (VERSIONS)

Предложение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к способам и устройствам для герметизации обсадной колонны в скважине.
Известен регулируемый пуансон для установки пластыря в обсадной колонне, содержащий верхний и нижний упоры, формующие выдвижные сектора и диафрагму (см. патент SU №1745833, E02F 3/88, опубл. бюл. №25 за 07.07.1992 г.).
Его недостатками является то, что он предназначен для продольно-гофрированных труб, а для приведения его в действие необходима подача жидкости под давлением внутрь диафрагмы с поверхности.
Наиболее близок по своей технической сущности к предлагаемому регулируемый пуансон, содержащий верхний и нижний упоры, формующие выдвижные сектора и диафрагму (см. патент SU №1747673, Е21В 29/10, опубл. в бюл. №26 за 15.07.1992 г.).
Его недостатком также является то, что он предназначен для гофрированных труб и приводится в рабочее состояние выдвижением формующих секторов подачей жидкости под давлением с устья скважины внутрь диафрагмы, что сильно усложняет работу с ним, делает невозможным использовать в качестве привода к нему скважинных гидравлических домкратов.
Технической задачей, решаемой предлагаемым регулируемым пуансоном, является упрощение работ по установке пластырей, использование негофрированных трубчатых пластырей, требующих бóльших усилий для их расширения за счет растяжения стенок, возможность использования гидравлических домкратов.
Указанная задача решается предлагаемым регулируемым пуансоном для установки металлического пластыря в скважине, содержащим верхний и нижний упоры с набором формующих секторов, установленных между ними с возможностью ограниченного радиального перемещения, диафрагму из эластичного материала, установленную внутри формирующих секторов, полость которой заполнена несжимаемой подвижной средой.
Новым является то, что формующие секторы установлены с возможностью ограниченного перемещения внутрь в радиальном направлении, а полость диафрагмы сообщена с упругим автономным компенсатором, обеспечивающим постоянный подпор среды в диафрагме, непосредственно или через поршень, установленный над диафрагмой.
Новым является то, что в качестве упругого автономного компенсатора использована емкость со сжатым газом, сообщенная с полостью диафрагмы.
Новым является то, что в качестве несжимаемой подвижной среды в диафрагме использован эластичный материал, а в качестве упругого автономного компенсатора использована емкость со сжатым газом, сообщенная с поршнем, опирающимся на эластичный упругий материал.
Новым является то, что при использовании в качестве диафрагмы упругого материала в качестве упругого автономного компенсатора использован предварительно сжатый (деформированный) в одном направлении эластичный материал, взаимодействующий с поршнем, опирающимся на эластичный упругий материал.
Новым является то, что в качестве набора формующих секторов использована цанга.
Новым является то, что при использовании предварительно сжатого компенсатора цанга выполнена отрезанной с одной из сторон, причем отрезанные концы секторов собраны в сепаратор, выполненный с возможностью радиального перемещения концов секторов цанги внутрь в радиальном направлении, а диафрагма выполнена в виде стакана, обращенного дном к сепаратору.
Новым является то, что между диафрагмой и формующими секторами против зазоров между секторами помещены металлические пластины.
Новым является то, что между цангой и диафрагмой помещена дополнительная тонкостенная цанга, причем ее лучи совмещены с прорезями основной цанги.
Новым является то, что между формующими секторами установлены с предварительным тангенциальным сжатием полосы из эластичного материала, а на секторах выполнены пазы под полосы.
Новым является то, что у регулируемого пуансона полосы из эластичного материала жестко зафиксированы на наружной поверхности диафрагмы или выполнены с ней заодно.
Техническая задача решается также регулируемым пуансоном для установки металлического пластыря в скважине, содержащим верхний и нижний упоры с набором формующих секторов, установленных между ними с возможностью ограниченного радиального перемещения, диафрагму из эластичного материала, установленную внутри формирующих секторов, полость которой заполнена несжимаемой подвижной средой.
Новым является то, что внутри него для обеспечения постоянного подпора среды в диафрагме установлен компенсатор, который выполнен в виде цилиндра с уплотняемым отверстием в дне, разделенного поршнем, выше которого помещен сжатый газ, а ниже - газ с низким давлением, например атмосферным, причем поршень снизу оснащен штоком, проходящим через уплотняемое отверстие цилиндра и взаимодействующим с дополнительным поршнем, разделяющим расположенную ниже несжимаемую подвижную среду внутри диафрагмы с полостью скважины, при этом формующие секторы установлены с возможностью ограниченного перемещения внутрь в радиальном направлении.
Новым является то, что в качестве набора формующих секторов использована цанга.
Новым является то, что цанга выполнена отрезанной с одной из сторон, причем отрезанные концы секторов собраны в сепаратор, выполненный с возможностью радиального перемещения концов секторов цанги внутрь в радиальном направлении, а диафрагма выполнена в виде стакана, обращенного дном к сепаратору.
Новым является то, что между диафрагмой и формующими секторами против зазоров между секторами помещены металлические пластины.
Новым является то, что между цангой и диафрагмой помещена дополнительная тонкостенная цанга, причем ее лучи совмещены с прорезями основной цанги.
Новым является то, что между формующими секторами установлены с предварительным тангенциальным сжатием полосы из эластичного материала, а на секторах выполнены пазы под полосы.
Новым является то, что полосы из эластичного материала жестко зафиксированы на наружной поверхности диафрагмы или выполнены с ней заодно.
Сущность изобретения заключается в том, что под действием автономного компенсатора сектора выдвинуты до максимального рабочего положения до упора в ограничитель. Пуансон ведет себя как жесткий, но при прохождении сужений в обсадной колонне под действием внешних радиальных сил при достижении заданных усилий уменьшает размеры и проходит через сужения. При этом протягивание пуансона через пластырь можно производить с помощью забойного гидравлического домкрата.
На фиг.1 изображен регулируемый пуансон, полость диафрагмы которого сообщена с емкостью со сжатым газом.
На фиг.2 изображен регулируемый пуансон, полость диафрагмы которого заполнена эластичным материалом.
На фиг.3 изображен регулируемый пуансон, у которого в качестве упругого автономного компенсатора использован предварительно сжатый упругий элемент.
На фиг.4 изображен регулируемый пуансон, у которого в качестве формующих секторов использована цанга.
На фиг.5 изображен регулируемый пуансон, у которого цанга отрезана с одного из концов.
На фиг.6 изображен регулируемый пуансон, у которого против зазоров между секторами помещены металлические пластины.
На фиг.7 изображен регулируемый пуансон, у которого между диафрагмой и цангой помещена дополнительная цанга.
На фиг.8 изображен регулируемый пуансон, у которого между секторами установлены полосы из эластичного материала.
На фиг.9 изображен регулируемый пуансон, у которого эластичные полосы жестко зафиксированы на поверхности диафрагмы.
На фиг.10 и 11 изображен регулируемый пуансон, у которого упоры соединены между собой штоком.
На фиг.12 изображен вариант регулируемого пуансона, у которого компенсатор выполнен в виде цилиндра, разделенного поршнем.
Регулируемый пуансон (фиг.1) содержит набор формующих секторов 1, установленных между верхним 2 и нижним 3 упорами, и ограничители перемещения наружу: верхний 4 и нижний 5. Внутри формующих секторов 1 размещена диафрагма 6 из эластичного материала, нижний и верхний концы которой герметично установлены внутри верхнего 2 и нижнего 3 упоров, а внутренняя полость 7 заполнена несжимаемой подвижной средой 8 и сообщена с емкостью 9, заполненной сжатым до требуемого давления газом 10. К верхней части емкости 9 присоединена штанга 11, связанная с тяговым органом (на чертеже не показан).
Регулируемый пуансон (фиг.2) может быть выполнен с диафрагмой 6, заполненной эластичным материалом 12, который через поршень 13 взаимодействует со сжатым газом 10, находящимся в емкости 9.
В качестве упругого компенсатора (фиг.3) может быть использован предварительно сжатый упругий элемент 14, например цилиндр из эластичного материала или пружина.
Формующие секторы 1 (фиг.4) могут быть выполнены в виде цанги 15 или цанги 16 (фиг.5) с отрезанным одним из концов, причем отрезанные лучи 17 цанги 16 собраны в сепаратор 18.
Регулируемый пуансон может быть выполнен с пластинами 19 (фиг.6), установленными против зазора между формующими секторами 1. А при исполнении формующих секторов 1 в виде цанги 15 (фиг.4) или отрезной цанги 16 (фиг.5) между ними и диафрагмой 6 (фиг.2) установлена дополнительная цанга 20 (фиг.7) или отрезанная дополнительная цанга (на чертеже не показана), которая может быть выполнена тонкостенной.
Между формующими секторами 1 (фиг.8) в пазы 21 могут быть установлены предварительно сжатые полосы 22 из эластичного материала.
Полосы 23 (фиг.9) могут быть выполнены заодно с диафрагмой 6 или жестко закреплены на ней.
Все варианты конструкции (фиг.10) могут быть выполнены с жестко соединенными между собой штоком 24 верхним 2 и нижним 3 упорами. При этом из-за того, что тяговое усилие передает шток 24, упоры 2 (фиг.11) и 3 могут иметь более простую конструкцию без зацепляющих элементов, передающих через сектора 1 (фиг.1) тяговое усилие.
Как вариант компенсатор может быть выполнен в виде цилиндра 25 (фиг.12), разделенного поршнем 26 на две полости: высокого давления 27 и низкого 28. Поршень 26 с помощью уплотняемого в отверстии дна 29 цилиндра 25 штока 20 соединен с поршнем 31, размещенным в верхнем упоре 2. Пространство над поршнем 31 сообщено с полостью скважины отверстием 32, а снизу поршень 31 взаимодействует с несжимаемой подвижной средой 8, заполняющей полость диафрагмы 6.
Работает регулируемый пуансон следующим образом.
Предварительно в лабораторных или стендовых условиях определяют необходимую упругость компенсатора, которая определяется таковой, чтобы обеспечить расширение гладкого трубчатого пластыря и обеспечить необходимую степень его прижатия к стенкам обсадной колонны для номинального ее внутреннего диаметра, и наружный диаметр формующих секторов 1 (фиг.1). Затем собирают всю установку для посадки пластыря, причем штангу 11 соединяют с тяговым органом (на чертеже не показан), а на пуансон до упора в формующие сектора 1 надевают трубчатый пластырь (на чертеже не показан).
После спуска пластыря в интервал установки протягивают через него с помощью тягового органа регулируемый пуансон.
Усилие от тягового органа через штангу 11, емкость 9, верхний упор 4 передается на формующие сектора 1, которые расширяют пластырь.
При этом сжатый газ 10 через несжимаемую подвижную среду (например, жидкость или загущенная жидкость) и диафрагму 6 удерживают формующие сектора 1 в расширенном состоянии, а большему расширению препятствуют ограничители 4 и 5.
При встрече со суженным участком обсадной колонны (более толстостенная труба, остатки цемента и т.п.) на формующие сектора 1 действует радиальная нагрузка, превышающая номинальную, которая через диафрагму 6 подвижную несжимаемую среду 8 давит на сжатый газ 10. Под действием этой нагрузки газ 10 еще сжимается, наружный диаметр формующих секторов 1 уменьшается, и они минуют суженный участок, расширяя пластырь на меньшую величину, но обеспечивая плотное прижатие к стенкам обсадной колонны.
При использовании в качестве несжимаемой подвижной среды 8 эластичного материала 12 (фиг.2) усилие от диафрагмы 6 сжимает эластичный материал 12 радиально, что приводит к его удлинению и перемещению поршня 13, который опять же сжимает газ 10. В результате также формующие сектора 1 уменьшаются в диаметре и суженный участок преодолевается.
Если же (фиг.3) вместо газа 10 применен сжатый упругий элемент 14, то он еще сжимается и также пуансон минует суженный участок.
Использование цанги 15 (фиг.4) или отрезанной цанги 16 (фиг.5) упрощает сборку пуансона, обеспечивает равномерное распределение формующих секторов 1 (фиг.1) по окружности. При больших разницах номинального и минимального диметров (для прохождения суженных участков) формующих секторов, также при больших давлениях сжатого газа 9 (при работе на больших глубинах) или усилиях сжатия упругого элемента 14 (фиг.3) давление несжимаемой подвижной среды 8 внутри диафрагмы 6 может выдавить в зазор между формующими секторами диафрагму 6 (фиг.2). Для предотвращения этого между диафрагмой 6 (фиг.6) и формующими секторами 1 против зазора между ними устанавливают пластины 19.
А в регулируемом пуансоне, выполненном с использованием цанги 15 (фиг.4) или отрезанной цанги 16 (фиг.5) устанавливают для этой же цели дополнительную цангу 20 (фиг.7) или дополнительную отрезанную цангу (на чертеже не показана).
С той же целью предотвращения выдавливания диафрагмы 6 (фиг.6) в зазор между формующими секторами 1, сектора 1 (фиг.8) выполняют с пазами 21, в которые устанавливают с предварительным сжатием полосы 22 из эластичного материала. Предварительное сжатие полос 22 обеспечивает их плотное прижатие к боковым стенкам секторов 1, создает высокую силу трения их радиального перемещения и препятствует выдавливанию в зазор диафрагмы 6 (фиг.6), а также обеспечивает равномерное распределение по окружности секторов 1 (фиг.8).
Жесткое присоединение полос 2 (фиг.9) и к диафрагме 6 или выполнение их заодно с диафрагмой 23 упрощает монтаж управляемого пуансона.
Во всех вариантах конструкций формующие сектора 1 (фиг.1) и их соединения с упорами 2 и 3 передают силовую нагрузку, что вызывает повышенные требования к их прочности. С целью уменьшения этих требований регулируемый пуансон может быть выполнен с соединенными между собой с помощью штока 24 (фиг.10 и 11) упорами 2 и 3.
На работу автономного компенсатора, состоящего из емкости 9 (см. фиг.1-11) со сжатым газом 10, влияет гидростатическое давление в скважине, т.е. с увеличением глубины установки пластыря уменьшается усилие прижатия формующих секторов 1. Поэтому для каждой скважины надо корректировать давление газа 10 с учетом гидростатического давления в месте посадки.
Компенсатор, не зависящий от гидростатического давления (фиг.12), работает следующим образом.
Перед спуском оборудования в скважину полость 27 цилиндра 25 заполняют газом 10 под высоким давлением, а полость 26 ниже поршня 28 - низким. Разница (перепад) давлений толкает поршень 26 вниз, который через уплотняемый в отверстии дна 29 цилиндра 25 шток 30 передает это усилие на поршень 31, который, в свою очередь, обеспечивает подпор несжимаемой подвижной среды 8, находящейся в полости диафрагмы 6. Отверстие 32 обеспечивает со всех сторон одинаковое уравновешенное действие гидростатического давления на среду 8. Усилие же, развиваемое поршнем 26, не зависит от гидростатического, так как полости 27 и 28 замкнуты. Действие гидростатического давления на шток 30 пренебрежимо мало из-за его малого диаметра. Но и оно при необходимости может быть компенсировано, если через верх цилиндра вывести наружу еще один уплотняющий шток (на чертеже не показан), равный по диаметру штоку 30.
Давления в полостях 27 и 28 могут быть любыми, конечно, наиболее удобным будет давление в полости 28, равное атмосферному или даже меньшее его (вакуум).
Таким образом, предлагаемый регулируемый пуансон обеспечивает надежную посадку пластыря при изменяющихся внутренних размерах обсадной колонны, упрощает конструкцию установки для посадки пластыря, позволяет использовать как усилие устьевого подъемного агрегата, так и скважинных гидравлических домкратов.