Способы опрессовки насосно-компрессорных труб в скважине, изготовления запорного опрессовочного органа и устройство для осуществления способов
METHODS OF PRESSURE TESTING OF TUBING STRING IN WELL, MANUFACTURING OF SHUT-OFF PRESSURE TESTING DEVICE AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION OF METHODS

Изобретение относится к области добычи нефти и газа, а именно к способам опрессовке колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) в скважине и изготовления запорного опрессовочного органа.
Известен клапан для обсадных труб, включающий корпус с седлом, обратный клапан, подвижную втулку с разрывной мембраной (см. А.с. СССР №1094948, Е21В 34/10, опубл. 1984 г.).
Способ опрессовки колонны труб в скважине, согласно указанному техническому решению, включает повышение давления в колонне труб, разрушение мембраны под действием давления, перемещение втулки и открытие боковых каналов колонны труб.
Недостатками известного устройства и способа являются сложность конструкции и засорение забоя скважины частями мембраны.
Известно устройство для опрессовки колонны труб, содержащий корпус с седлом, запорный орган, оснащенный ловильной головкой (патент РФ №2312204, Е21В 34/06, Е21В 17/00, опубл. 2007 г.).
Недостатком известного устройства является трудоемкость подъема запорного органа после проведения опрессовки.
Известен способ опрессовки колонны труб в скважины, заключающейся в опускании на седло растворимого запорного органа (шарика), опрессовки колонны подъемом давления, сброс давления и растворением запорного органа в скважинной среде или путем подачи кислот или растворов солей (см. Таргин. Новые направления. Каталог, www.targin.ru, 2006 г.).
Недостатками указанного способа являются необходимость применения дорогостоящих шаров, достаточно большая продолжительность уменьшения диаметра шара и его выпадения из седла. Кроме того, шары растворяются, как правило, в среде кислот или солей, а также при повышенной температуре, достигающей до 90-95°С.
Известен скважинный шарикоуловитель, включающий размещенный в корпусе проволочные направляющие и конусообразную корзину, размещенную вершиной конуса вниз (см. патент РФ №2265712, Е21В 17/00, опубл. 2005 г.).
Недостатками известного устройства являются сужение нижней части центрального канала колонны труб, а также возможность только однократного опрессовки колонны труб.
Известно устройство для опрессовки колонные труб, как правило, при гидроразрыве пластов, содержащее деформируемое и имеющее способность ограниченного перемещения в скважине седло, запорный орган, выполненный в виде шара (см. патент РФ №2613690, Е21В 34/14, Е21В 43/26, опубл. 2007 г.), которое принято за прототип.
Целью предлагаемого технического решения являются снижение продолжительности опрессовки и возможность многократной опрессовки колонны насосно-компрессорных труб.
Поставленная цель достигается тем, что в способе опрессовки колонны насосно-компрессорных труб, спущенной в эксплуатационную колонну, включающей опускание в скважину колонны труб, снабженной седлом, а далее, запорного органа в колонну труб до посадки в седло, опрессовку, продавливание через седло запорного органа повышением давления, согласно техническому решению, запорный орган разрушается на части при превышении давления выше опрессовочного на 20-30%, далее происходит растворение частей запорного органа на забое скважины.
В способе изготовления растворимого запорного органа, заключающемся в добавлении в состав материала запорного органа растворимого в скважинной среде ингредиентов, согласно техническому предложению, запорный орган изготовлен из цемента различных марок и поваренной соли в пропорции соответственно от 2:3 до 1:4.
В устройстве для опрессовки колонны насосно-компрессорных труб, спущенной в эксплуатационную колонну, содержащее опрессовочную муфту, соединенную с нижней частью колонны и включающую седло, резьбы по концам, запорный орган, уплотнительный элемент, согласно техническому решению, запорный орган выполнен из разрушаемого от приложения фиксированной нагрузки и растворимого в среде скважины материала.
Устройство дополнительно оснащено емкостью со сквозными отверстиями на днище, наружная поверхность которой в нижней части выполнена конической, емкость снабжена якорем, установленным на забое скважины, и выполненным в виде разрезного цилиндра с возможностью взаимодействия с поверхностью эксплуатационной колонны и с коническим отверстием, ответно выполненным емкости, при этом емкость установлена в якоре с возможностью ограниченного упорами осевого перемещения относительно якоря.
Седло выполнено в виде конической оболочки в форме усеченного конуса.
Для описания предлагаемого способа опрессовки, способа изготовления запорного органа ниже приводятся чертежи устройства для опрессовки насосно-компрессорных труб в скважине.
На фиг. 1 показана схема опрессовки НКТ;
На фиг. 2 показана схема опускания запорного органа в среде жидкости по каналу НКТ;
На фиг. 3 - конструкция шарикового клапана из смеси цемента и растворимой в воде соли;
На фиг. 4 - схема разрушения и выдавливания шарикового запорного органа из седла;
На фиг. 5 - вариант исполнения седла со сферической опорно-уплотнительной поверхностью;
На фиг. 6. - вариант исполнения устройства для опрессовки с донной съемной емкостью;
На фиг. 7 - разрез А-А на фиг. 6;
На фиг. 8 - вариант исполнения седла с упругой опорно-уплотнительной поверхностью;
На фиг. 9 - выдавливание запорного органа из седла с упругой опорно-уплотнительной поверхностью;
На фиг. 10 - вариант изготовления запорного органа обтекаемой формы с конической опорно-уплотнительной поверхностью.
Устройство опрессовки колонны насосно-компрессорных труб 1 (фиг. 1), опущенной в эксплуатационную колонну 2, содержит соединенную на резьбе (на фиг. не указана) в нижней части НКТ 1 муфту 3, включающую седло 4 и наружную резьбу 5 на конце. Опорно-уплотнительная поверхность 6 седла 4 может быть выполнена конической формы.
На устье НКТ закрыта крышкой 7, через отверстие (на фиг. не указано) в котором насосом 8 может подаваться жидкость к колонну 1. Давление контролируется манометром 9.
Перекрытие прохода седла 4 осуществляется сбрасываемым сверху запорным органом 10 (фиг. 2), выполненным например, в виде шара. От устья до седла 4 шарик 10 может опускаться сводным падением, или потоком жидкости, подаваемым насосом 8.
С целью обеспечения герметичности седла 4 шариком 10, в дальнейшем полного открытия прохода седла 4 путем разрушения запорного органа 10, и далее, растворения частей запорного орган 10 на забое скважины, запорный орган 10 должен быть изготовлен из достаточно прочного и разрушаемого при узком диапазоне давления (фиг. 4), и в дальнейшем, растворяемого в скважинной среде материала.
В результате многочисленных испытаний запорный орган 10 выполняется из смеси цемента различных марок с добавлением растворимой в воде соли, например, поваренной соли, в пропорции от цемент : соль от 2:3 до 1:4. С целью обеспечения стабильных механических свойств шарик 10 сверху может быть покрыт эластичным водонепроницаемым эластичным материалом 11 (фиг. 3), например, каменным клеем, толщиной 0,5-1,0 мм.
0
0
С целью обеспечения достаточной прочности диаметр шарика (D) 10 выбирается на 2-3 мм меньше наименьшего внутреннего диаметра НКТ 1. Диаметр прохода (d) седла 4 составляет 0,84-0,85 части внутреннего диаметра (d) НКТ, т.е т.е. d=(0,83-0,84)d.
Для обеспечения более высокой прочности запорного органа 10 опорно-уплотняемая поверхность 6 седла 4 может быть выполнена сферической формы (фиг. 5).
При более продолжительном растворении частей запорного органа 10 эксплуатационная колонна 2 в нижней части может быть оснащена емкостью 12 (фиг. 6) с конической поверхностью в нижней части, снабженной якорем 13, выполненным в виде разрезного цилиндра с конической внутренней поверхностью, ответно выполненной емкости 12. Якорь 13 установлен на забое скважины и выполнен с возможностью взаимодействия с боковой поверхностью эксплуатационной колонны 2. На сопрягаемой конической поверхности, например, якоря 13, выполнены, как минимум, два глухих паза 14 (фиг. 7) с образованием упора 15, а емкость 12 в нижней части, ответно пазам 14, снабжена штифтами 16 с возможностью ограниченного осевого перемещения емкости 12 относительно якоря 13 и взаимодействия с упором 15.
Емкость в верхней части снабжена резьбой 17, ответно выполненной резьбе 5 муфты 3, а в днище 18 емкости 12 выполнены сквозные отверстия 19. Максимальный диаметр отверстий 19 меньше допускаемого размера частей запорного органа 10, оставляемого на забое.
Диаметр якоря 13 меньше минимального внутреннего диаметра эксплуатационной колонны 2. На наружной поверхности якоря 13 могут быть выполнены продольные выступы 20 в виде цилиндрических сегментов в плане. На боковой поверхности выступов 20 выполнены, например, насечки 21.
Седло 4 (фиг. 8 и 9) может быть выполнено в виде конической оболочки в форме усеченного конуса, жестко соединенный с муфтой 3 большим основанием.
На фиг. 10 приведен вариант изготовления запорного органа обтекаемой формы с конической опорно-уплотнительной поверхностью 6.
Устройство для опрессовки колонны насосно-компрессорных труб, опущенной в эксплуатационную колонну, работает следующим образом.
Опрессовка колонны НКТ 1 (фиг. 1) осуществляется при спущенной в скважину во внутрь обсадной (эксплуатационной) колонны 2 и герметично закрытой верхней части колонны НКТ 1 крышкой 7. Подача жидкости во внутрь НКТ для опрессовки подается насосом 8. Контроль давления опрессовки осуществляется, например, манометром 9.
2
2
Прочность и целостность запорного органа 10 (шара) опрессовочного устройства при опрессовке колонны НКТ 1 обеспечивается подбором марки цемента требуемой прочности, а герметичность - эластичным материалом покрытия 11. Выбором требуемой марки цемента от М200 (временное сопротивление 200 кгс/см) до M1000 (временное сопротивление 1000 кгс/см или 100 МПа) обеспечивается требуемая прочность запорного органа 10. Марка цемента и размеры седла 4 и шара 10 выбираются таким образом, что при превышении давления в НКТ 1 опрессовочного давления в 1,2-1,3 раза прочность запорного органа 10 (фиг. 4) не обеспечивает его целостность, и запорный орган 10 разрушается, и его части опускаются на забой (на фиг. не показан) скважины.
Благодаря значительному содержанию растворимой в воде соли в составе запорного органа 10, разрушенные его части в дальнейшем растворяются окончательно.
Определим максимальные напряжения в запорном органе 10 при опрессовке.
При взаимодействии шарика 10 (фиг. 1 и 2) с конической поверхностью седла 4 происходит его деформация. Максимальное контактное напряжение в зоне касания узкой полосы сферической поверхности с конической поверхностью седла, может быть принято как касание цилиндра с плоской поверхностью. Максимальные напряжения напряжения определяется по следующей формуле [Биргер И.А. и др. Расчет на прочность деталей машин. Справочник. - М.: Машиностроение, 1979, с. 570-573]
где  - максимальные напряжения в точке касания;
где  - распределенная по линии контакта нагрузка;
р - давление жидкости в колонне НКТ (давление опрессовки);
y
D - диаметр уплотняемой поверхности;
α≈45° - угол между вертикалью и опорно-уплотняемой поверхностью седла;
R=0,5D - радиус шара;
- коэффициенты для стального седла и шара из смеси цемента и соли;
c
б
ν=0,3; ν=0,16 - коэффициенты Пуассона для стали и бетона;
с
б
5
4
Е=2,1×10 МПа, Е=1,5×10 МПа - модули упругости стали и материала шара;
Преобразуем выражение (1) с учетом сокращения малых величин
Каждая марка бетона имеет максимальный предел прочности, при превышении которого разрушается. Для этого марка бетона подбирается с учетом того, что максимальные напряжения в запорном органе 10 должна составлять 75-80% предела прочности материала шара.
После выдержки, и убедившись в герметичности соединений колонны НКТ 1, насосом 8 дополнительно закачивается жидкость в колонну труб 1. В кольцевом пространстве между обсадной колонной 2 и колонной НКТ 1 сохраняется забойное давление. В связи с этим на запорный орган 10 действует значительная нагрузка от перепада давления над и под седлом 4. При давлении, превышающем давление опрессовки на 20-30%, т.е. достижении максимального напряжения предела прочности материала шарика 10, он разрушается и через проход седла 4 опускается на забой скважины.
При разрушении шарика оголяется внутренняя часть шара, содержащая в своем составе значительную долю растворимой соли. Содержащаяся в запорном органе соль, растворяясь в скважинной среде, приводит в расчленению кусков шара на более мелкие части.
y
б
с
Принимая во внимание, что D≈0,95⋅D, и модуль упругости материала запорного органа Е намного меньше модуля упругости стали Е, преобразуем выражение (2) к виду
б
4
При Е=1,5×10 МПа получим
Запорный орган в форме шара при посадке на седло с конической опорно-уплотнительной поверхностью может использоваться при максимальном давлении опрессовки 8 МПа.
При выполнении седла 4 (фиг. 5) со сферической опорно-уплотняемой поверхностью максимальное напряжение в запорном органе 10 определяется наибольшим и наименьшим диаметром опорно-уплотняемой поверхности 6 седла 4. Наименьший диаметр опорно-уплотняемой поверхности равен диаметру прохода седла 4.
Наибольшие напряжения определяются по формуле
где
- вертикальное усилие, действующее на запорный орган от давления опрессовки;
- площадь контакта.
0
При d=0,84D, получим
мах
2
При использовании цемента марки M1000, максимальное разрушающее давление запорного органа составит р=1000/3,4=294 кг/см=29,4 МПа.
При неполном растворении частей запорного органа 10 после опрессовке, или значительной продолжительности растворения, или изготовлении разрушаемого запорного органа 10 из нерастворимого материала, скважина в забойной зоне может быть оснащена емкостью 12 (фиг. 6), снабженной якорем 13.
Установка емкости 12 с якорем 13 на забое скважины осуществляется следующим образом.
Емкость 12 с якорем 13 на забой может спускаться на колонне НКТ 1. После касания якоря 13 с забоем, колонна НКТ 1 с емкостью 12 опускается вниз, расширяя разрезной цилиндр 13. Под действием части веса колонны 1 выступы 20 якоря 13 взаимодействуют с эксплуатационной колонной 2. Далее колонна 1 отсоединяется от емкости 11. При вращении колонны 1 емкость 12 штифтами 16 удерживается якорем 13, а якорь 13 посредством выступов 20 с насечками 21 удерживается от поворота эксплуатационной колонной 2.
После отсоединения колонна НКТ 1 приподнимается на необходимую высоту.
При опрессовке на низ колонны 1 опускают запорный орган 10. После опрессовки, путем повышения давления в колонне 1, запорный орган 10 разрушается, или деформируясь сам, или деформируя седло 4, проходя через седло 4, опускается в емкость 12. Емкость с частями запорного органа 10, или целыми запорными органами 10, может подниматься вверх при очередном подъеме колонны НКТ 1, или после проведения нескольких опрессовок.
При взаимодействии запорного органа 10 (фиг. 8) с седлом 4, выполненным в виде конической оболочки, при опрессовке запорный орган 10 удерживается седлом 4. При превышении давления в колонне НКТ 1 больше опрессовочного, например, на 20-30%, седло 4 деформируется (фиг. 9), и запорный орган опускается вниз на забой. При оснащении забоя скважины емкостью 12 с якорем 13 (на фиг. не показаны), запорный орган 10 опускается в емкость 12.
При выполнении запорного органа 10 (фиг. 10) обтекаемой формы с конической опорно-уплотнительной поверхностью 6 существенно увеличивается масса запорного органа, а также площадь контакта. Контактное напряжение определяется по формуле (4). С целью предотвращения переворачивания запорного органа 10 при опускании вдоль колонны 1 его высота Н выбирается на 40-50% больше максимального диаметра D, т.е. Н>(1,4-1,5)D.
Таким образом, предлагаемая технология позволяет проводить опрессовку колонны НКТ 1, опущенной в эксплуатационную колонну 2, разрушаемым запорным органом 10, части которого в дальнейшем растворяются на забое. Предложены нетрудоемкий в изготовлении и из доступных ингредиентов способ изготовления запорного органа, а также конструкция опрессовочного устройства для реализации указанных способов.
Наличие цемента с широким диапазоном прочности позволяет изготовить запорные органы для опрессовки колонны НКТ также в широком диапазоне изменений давления опрессовки.