УСТРОЙСТВО ПОДВЕСКИ И ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ХВОСТОВИКА В СКВАЖИНЕ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ РАЗЪЕДИНЕНИЕМ ОТ ТРАНСПОРТНОЙ КОЛОННЫ
DEVICE FOR SUSPENSION AND CEMENTING OF LINER IN WELL WITH PRELIMINARY DISCONNECTION FROM TRANSPORT STRING

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для спуска, подвески и цементирования потайных колонн и хвостовиков.
Общеизвестно, что при цементировании хвостовиков возможно возникновение аварий ввиду отсутствия возможности отсоединения транспортной колонны от хвостовика, когда уже закачан цементный раствор, который через определенное время начинает затвердевать и после затвердевания не позволяет производить какие-либо работы, связанные с ликвидацией аварии в скважине. Такие аварии называют «железобетон в скважине». Невозможность разъединения транспортной колонны и хвостовика бывает по разным причинам: перекос левого резьбового соединения вследствие изгиба ствола скважины и заклинивание (соединения), отказ в работе разъединительного узла, недостаточный крутящий момент ротора буровой при отвороте по левому резьбовому соединению и др.
Известно устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине (патент RU2377391, МПК Е21В 33/14, опубл. 27.12.2009 г.), включающее полый корпус, перфорированный патрубок и хвостовик, соединенные между собой посредством муфт. Полый корпус соединен с разъединителем, который связан с транспортной колонной с установленной в ней продавочной пробкой. Разъединитель сверху оснащен стаканом, имеющим возможность герметичного взаимодействия с внутренними стенками полого корпуса, а снизу снабжен полым патрубком и телескопически установленным в него снизу полым штоком с отверстиями. Полый шток имеет возможность взаимодействия с обратным клапаном в рабочем положении. В верхней части полого корпуса установлены пакер и якорь.
Недостатком аналога является то, что указанное устройство для установки и герметизации хвостовика предполагает спуск и установку хвостовика в обсадной колонне без цементирования, а в случае необходимости цементирования хвостовика устройство не обеспечивает качественного проведения работ из-за невозможности применения разделительных цементировочных пробок.
Известен узел заливочный для цементирования дополнительных колонн(патент RU174927, МПК Е21В 33/05, опубл. 15.11.2017 г.), позволяющий производить механическое отсоединение верхней части узла заливочного от дополнительной колонны до начала цементирования с сохранением герметичности. Узел состоит из двух частей - нижней и верхней, содержит обратный клапан, заливочную и очистительную пробку, изготовленные из легкоразбуриваемых материалов. Нижняя часть присоединена к нижнему концу дополнительной колонны и включает в себя упор-башмак, в котором выполнены заливочные отверстия, и обратный клапан, соединенный с упором-башмаком патрубком. При этом разбуриваемые детали жестко закреплены относительно корпуса оборудования и защищены от проворота, что сокращает время разбуривания. Обратный клапан содержит фиксатор очистительной пробки, которая после фиксации, совместно с обратным клапаном, выполняет роль стоп-кольца. Верхняя часть узла заливочного в свою очередь состоит из наружной части, присоединенной посредством муфты к верхнему концу дополнительной колонны и содержащей полированную втулку с лево-правым переводником и адаптером, и внутренней части. Внутренняя часть включает в себя очистительную пробку с набором манжет и шевронов, фиксатором для фиксации в ней заливочной пробки и наконечником с замком, срезную муфту со срезными штифтами и ниппель с уплотнительными элементами, присоединенный посредством муфты и патрубка к ответному лево-правому переводнику, что позволяет производить механическое отсоединение верхней части узла заливочного от дополнительной колонны до начала цементирования с сохранением герметичности и снижает риск аварий при больших углах наклона скважин, когда затруднен отворот.
Недостатком аналога является то, что механическое отсоединение заливочного узла от колонны производится с упором башмака колонны на забой путем отворота внутренней части заливочного узла от наружной части. Данный прием цементирования колонны с разгрузкой веса колонны на забой является технологическим нарушением, так как отсутствует фиксация колонны от возможного перемещения, что отрицательно влияет на качество цементирования.
Известно устройство для спуска подвески и цементирования колонны хвостовика в скважине (патент RU2441140, МПК Е21В 43/10, опубл. 10.06.2011 г.), включающее узел разъединения подвески хвостовика, состоящий из разъединительного переводника с замковой резьбой под бурильные трубы и соединенный с направляющей воронкой якорно-пакерного узла, имеющего гидравлический привод, и во внутренней полости которого установлен полый шток с радиальными отверстиями, образующий с корпусом якорно-пакерного узла кольцевую полость. Разъединительный переводник оснащен левой соединительной (трапецеидальной) резьбой для соединения с направляющей воронкой, при этом якорный и пакерный узлы совмещены и состоят из профильной трубы, которая установлена между верхним и нижним концевыми переводниками, причем нижняя часть кольцевой полости устройства загерметизирована уплотнительными манжетами, а в ее верхней части установлен плунжер, зафиксированный срезными элементами и перекрывающий канал сообщения между гидрокамерой, сообщенной с внутренней полостью полого штока и внутренним пространством профильной трубы, при этом крепление верхнего конца полого штока выполнено шарнирно-подвижным посредством установки верхней подвесной муфты с полусферической поверхностью в ответную поверхность разъединительного переводника, а на противоположном конце полого штока установлен узел фиксации подвесной цементировочной пробки, включающий нижнюю муфту с закрепленной на ней посредством срезных винтов подвесной цементировочной пробкой, причем узел фиксации пробки входит во внутреннюю полость патрубка хвостовика, который с верхней стороны соединен с нижним концевым переводником, а с нижней - с хвостовиком. Принято за прототип.
Недостатком являются ограниченные функциональные возможности, что не позволяет предупредить возможные осложнения при цементировании хвостовика, например, при возникновении проблем с разъединением, когда цемент уже закачан в скважину, и существует опасность создания аварийной ситуации (затвердевание цемента и оставление его в колонне).
Технической проблемой, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей устройства с обеспечением безаварийного проведения работ при цементировании хвостовиков.
Технический результат - предварительное (до начала цементирования) отсоединение хвостовика от транспортной колонны без потери гидравлического сообщения с ним.
Проблема решается, а технический результат достигается устройством для спуска подвески и цементирования хвостовика в скважине, включающим узел разъединения подвески хвостовика, содержащий разъединительный переводник с замковой резьбой для соединения с транспортной колонной в верхней части и наружную левую трапецеидальную резьбу для соединения с корпусом устройства снизу, якорно-пакерный узел, состоящий из якоря и пакера, установленных в полом корпусе устройства, в котором также установлен полый шток с радиальными отверстиями, при этом якорно-пакерный узел и полый шток образуют между собой внутреннюю кольцевую полость устройства, с которой якорно-пакерный узел имеет гидравлический канал сообщения, кроме того, устройство содержит узел подвески цементировочной пробки, включающий подвесную цементировочную пробку, зафиксированную посредством срезных винтов в нижней части полого штока, нижний конец которого свободно подвешен, а верхний конец закреплен внутри разъединительного переводника, причем полый шток имеет гидравлический канал сообщения через радиальные отверстия с внутренней кольцевой полостью устройства, которая гидравлически изолирована сверху и снизу уплотнительными манжетами. В отличие от прототипа узел подвески цементировочной пробки дополнительно содержит посадочную втулку под шар, выполненную с наружными продольными выступами, сопряженными с ответными внутренними пазами подвесной цементировочной пробки, причем посадочная втулка и подвесная цементировочная пробка закреплены на муфте полого штока независимо друг от друга.
В частных случаях осуществления в нижней части колонны хвостовика установлена корзина-ловитель для посадочной втулки с шаром, а полый шток выполнен из насосно-компрессорной трубы (НКТ).
Технический результат достигается применением заявляемого устройства, которое позволяет исключить риски возникновения аварийной ситуации при цементировании и оставления цемента в скважине ввиду следующего.
После спуска хвостовика до плановой глубины предварительно (до начала цементирования) производится заякоривание подвески хвостовика в обсадной колонне, отсоединение транспортной колонны от хвостовика и приподъем транспортной колонны совместно с полым штоком примерно на 0,5-1,0 м (с сохранением гидравлического сообщения), после чего производится цементирование хвостовика. При этом форма колонны хвостовика остается относительно прямолинейной, а ее ось близка к оси скважины - тем самым обеспечивается необходимый зазор между стенкой скважины и хвостовика, что положительно сказывается на качестве цементирования скважины. Это обеспечивается благодаря предварительному, до начала цементирования подвешиванию колонны хвостовика на якоре и разъединению транспортной колонны от хвостовика.
2
Разъединение транспортной колонны (колонны бурильных труб) от хвостовика осуществляется заранее, до начала цементирования, посредством предварительной активации якоря путем сброса запорного шара внутрь бурильных труб (транспортной колонны), его посадки в посадочную втулку и создания избыточного внутреннего давления. После чего производится разгрузка транспортной колонны до величины собственного веса и разъединение транспортной колонны от подвески хвостовика. Наличие полого штока с уплотнительными манжетами дает возможность приподъема полого штока вверх (на 0,5-1 м) после разъединения транспортной колонны от подвески хвостовика, без выхода из зацепления с корпусом устройства, при этом сохраняя гидравлический канал сообщения между ними. Гидравлический канал сообщения является обязательным условием для проведения цементировочных работ, т.к. работы проводятся в условиях значительных гидравлических давлений (до 250 кгс/см). Негерметичность канала сообщения приводит к нарушению процесса цементирования и авариям.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где показано заявляемое устройство:
Фиг. 1 - устройство в транспортном положении в скважине, общий вид (продольный разрез);
Фиг. 2 - узел подвески цементировочной пробки(продольный разрез в области срезных винтов посадочной втулки);
Фиг. 3 - узел подвески цементировочной пробки (поперечный разрез в области срезных винтов посадочной втулки);
Фиг. 4 - устройство после активации якоря и разъединения от транспортной колонны, общий вид (продольный разрез);
Фиг. 5 - узел подвески цементировочной пробки (продольный разрез в области срезных винтов подвесной пробки);
Фиг. 6 - узел подвески цементировочной пробки (поперечный разрез в области срезных винтов подвесной пробки);
Фиг. 7 - устройство после активации (якоря, пакера), общий вид, продольный разрез;
Фиг. 8 - вид якоря после активации (плашки якоря выдвинуты);
Фиг. 9 - вид пакера в активированном положении (уплотнительный элемент раскрыт);
Фиг. 10 - общий вид нижней части устройства в скважине после окончания цементирования.
На фигурах показано:
1 - бурильная труба;
2 - разъединительный переводник;
3 - направляющая воронка хвостовика;
4 - полый шток (насосно-компрессорная труба - НКТ);
5 - пакер заколонный;
6 - уплотнительный элемент пакера;
7 - верхняя уплотнительная манжета;
8 - поршень пакера;
9 - отверстие гидрокамеры пакера;
10 - внутренняя кольцевая полость устройства;
11 - якорь заколонный;
12 - плашки якоря;
13 - поршень якоря;
14 - срезные винты якоря;
15 - отверстие гидрокамеры якоря;
16 - радиальные отверстия полого штока;
17 - кожух узла подвески цементировочных пробок;
18 - нижняя уплотнительная манжета;
19 - посадочная втулка под шар;
20 - бросовый шар;
21 - пробка подвесная цементировочная;
22 - хвостовик;
23 - обсадная колонна;
24 - муфта полого штока;
25 - срезной винт посадочной втулки;
26 - срезной винт подвесной пробки;
27 - глухая цементировочная пробка;
28 - башмак хвостовика;
29 - отверстия цементировочные;
30 - обратный клапан хвостовика;
31 - корзина-ловитель;
32 - «стоп»-кольцо;
33 - цемент заколонный.
Предлагаемое устройство состоит из трех функциональных узлов (фиг. 1):
I - узел разъединения подвески хвостовика (от транспортной колонны);
II - узел якорно-пакерный;
III - узел подвески цементировочной пробки.
Узел разъединения подвески хвостовика предназначен для разъединения хвостовика от транспортной колонны, состоящей из бурильных труб 1. Узел состоит из разъединительного переводника 2, содержащего в верхней части замковую резьбу под бурильные трубы 1 и наружную левую трапецеидальную резьбу для соединения с направляющей воронкой 3 хвостовика в нижней части. Полый шток 4 может быть выполнен из трубы НКТ, установлен внутри устройства, содержащего пакер 5, якорь 11, и образует с ними кольцевую полость 10, изолированную посредством уплотнительных манжет верхней 7, и нижней 18, и имеет гидравлический канал сообщения с полостью устройства через радиальные отверстия 16. Верхний конец полого штока 4 герметично закреплен внутри разъединительного переводника 2, а нижний конец свободно подвешен и содержит элементы узла подвески цементировочной пробки - посадочную втулку 19 и подвесную цементировочную пробку 21, закрепленные на нем посредством срезных винтов.
Узел якорно-пакерный (для фиксации хвостовика и герметизации межтрубного пространства) состоит из пакера заколонного 5 для герметизации межтрубного пространства хвостовика 22 и обсадной колонны 23, и якоря 11 для фиксации колонны хвостовика 22 в обсадной колонне 23. Пакер 5 и якорь 11 имеют гидравлическое сообщение с полостью 10 устройства через отверстия 9 гидрокамеры пакера и отверстия 15 якоря, а якорь и пакер содержат цилиндрические поршни 8 и 13 соответственно, размещенные в кольцевой полости (гидрокамере) пакера 5 и якоря 11. Цилиндрические поршни 8 и 13 имеют конусное окончание для расклинивающего воздействия на уплотнительный элемент 6 пакера и плашки 12 якоря и их перемещения в радиальном направлении (выдвижения) при перемещении поршней 8 и 13 в процессе активации пакера 5 и якоря 11.
Узел подвески цементировочной пробки состоит из посадочной втулки 19 под бросовый шар 20 и подвесной цементировочной пробки 21. Посадочная втулка 19 и бросовый шар 20 предназначены для активации якоря 11, а подвесная цементировочная пробка 21 совместно с глухой пробкой 27 для разделения цементного раствора от буферной жидкости в процессе цементирования хвостовика 22 и активации пакера 5. Посадочная втулка 19 выполнена с наружными продольными выступами, а подвесная цементировочная пробка 21 - с ответными внутренними пазами, и они закреплены на муфте 24 полого штока 4 посредством срезных винтов 25, 26 (фиг. 2 и 5).
Устройство работает следующим образом.
Производят сборку компоновку низа колонны хвостовика 22 с технологической оснасткой в следующей последовательности: башмак 28 хвостовика, патрубок хвостовика с боковыми цементировочными отверстиями 29, обратный клапан 30, корзина-ловитель 31, «стоп»-кольцо 32, и спускают хвостовик 22 в скважину длиной, определенной планом работ. Далее, на последнюю трубу колонны хвостовика устанавливают заявляемое устройство подвески хвостовика, на которую наворачивают бурильную трубу 1 (фиг. 1) транспортной колонны, и продолжают спуск хвостовика 22 на бурильных трубах до проектной глубины с промежуточными промывками. По окончании спуска хвостовика 22 скважину промывают и фиксируют хвостовик 22 в обсадной колонне 23 путем активации якоря 11 (заякоривание). Для этого внутрь верхней трубы транспортной колонны бросают шар 20, который, падая, проходит через всю транспортную колонну, попадает в полый шток 4 устройства, садится в седло посадочной втулки 19 и перекрывает центральное промывочное отверстие узла подвески цементировочной пробки 21. Производится подача промывочной жидкости путем включения бурового насоса и создается избыточное внутритрубное давление (40-50 кгс/см2), которое через радиальные отверстия 16 полого штока 4, передается в кольцевую полость 10 устройства и через рабочее отверстие 15 в гидрокамеру якоря. При этом гидравлическое давление воздействует на торцевую поверхность поршня 13 якоря 11 и создает динамическое давление, необходимое для среза винтов 14, фиксирующих поршень 13, и приводит к его продольному перемещению в направлении плашек 12 якоря. При этом конусная поверхность поршня 13 оказывает на плашки 12 якоря расклинивающее воздействие, и последние, имеющие сопряженные поверхности с конусом поршня 13, выдвигаются в радиальном направлении и внедряются зубьями в тело обсадной колонны 23, заклинивая корпус устройства, а вместе с ним подвеску хвостовика 22.
2
Далее, путем создания превышения избыточного давления (свыше 50 кгс/см), производится срез винтов 25, фиксирующих посадочную втулку 19 с шаром 20. Последние, под действием собственного веса, падают в нижнюю часть хвостовика 22 и попадают в корзину-ловитель 31, установленную между башмаком 28 и «стоп»-кольцом 32, при этом не перекрывая центрального прохода.
Далее производится проверка надежности фиксации хвостовика путем разгрузки веса транспортной колонны на величину собственного веса и производится разъединение транспортной колонны от хвостовика 22 путем правого вращения колонны бурильных труб 1 и отворота по левому резьбовому соединению разъединительного переводника 2. Для подтверждения факта разъединения производится приподъем транспортной колонны на высоту 0,5-1,0 м, при этом вес на крюке буровой (по индикатору веса) должен соответствовать весу транспортной колонны.
2
Цементирование хвостовика. После закачки расчетного объема цементного раствора из цементировочной головки освобождается глухая цементировочная пробка 27 и производится продавка цементного раствора поверх нее. Глухая пробка 27, пройдя через всю транспортную колонну, входит в полый шток 4, садится в подвесную цементировочную пробку 21 и перекрывает центральное отверстие. В результате этого повышается внутритрубное давление, и при достижении определенной величины избыточного давления (ΔР-30кгс/см) происходит срез винтов 26, фиксирующих подвесную пробку 21, и под действием давления закачки обе цементировочные пробки 21 и 27 совместно перемещаются вниз до «стоп»-кольца 32, где они перекрывают центральное проходное отверстие хвостовика. При этом отмечается резкое повышение внутритрубного давления («стоп»-сигнал), которое через радиальные отверстия 16 полого штока и отверстия 9 пакера передается на поршень 8 пакера, и происходит срез винтов, фиксирующих поршень пакера и его продольное перемещение в направлении уплотнительного элемента 6 пакера. Аналогично якорному узлу конусная поверхность поршня 8 оказывает на уплотнительный элемент 6 пакера расклинивающее воздействие, и последний, под действием динамических сил, раздвигается в радиальном направлении и плотно прижимается к внутренней поверхности обсадной колонны 23, тем самым гидравлически изолируя межтрубное пространство корпуса пакера 5 с обсадной колонной 23.
После окончания цементирования хвостовика 22 производят приподъем транспортной колонны с полым штоком 4 и закрепленными на нем уплотнительными манжетами 7 до выхода его из зацепления с корпусом подвески хвостовика и создают промывку для вымывания остатков цементного раствора. После промывки производится полный подъем и разборка внутренней (извлекаемой) части подвески хвостовика, в том числе: разъединительного переводника 2 с полым штоком 4 и уплотнительными манжетами 7. В скважине остается: направляющая воронка 3, корпус пакера 5 и якоря 11, при этом внутреннее проходное сечение соответствует внутреннему диаметру самой колонны хвостовика и позволяет проводить внутрискважинные работы.