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. Основным недостатком термоизолирующего направления является его большая длина, которая существенно затрудняет его установку в скважину.
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 сложность установки обечайки в зоне соединения секций с диаметром наружной трубы 530 мм и более (наиболее часто применяемые типоразмеры термоизолирующего направления), имеющих относительно большие размеры и массу. Кроме того, не всегда возможно обеспечение жесткой фиксации обечайки в зоне соединения секций, что может привести к осевому смещению обечайки за счет трения о стенки скважины при спуске термоизолирующего направления в скважину и снизить надежность соединения секций.
Известно термоизолирующее направление (патент РФ №158537, Е21В 36/00, опубл. 10.01.2016), принятое за прототип, которое включает по меньшей мере две секции, соединенные между собой при помощи муфты. Секции имеют одинаковую конструкцию и содержат внутреннюю и наружную трубы, пространство между которыми заполнено теплоизолирующим материалом. Наружная труба установлена на внутренней трубе посредством фиксирующих фланцев, наружная поверхность которых контактирует с внутренней и торцевой поверхностью наружной трубы. В месте соединения первой и второй секции установлен стакан, пространство под которым заполнено теплоизолирующим материалом. Стакан закреплен при помощи хомутов.
Недостаток прототипа заключается в том, что конструкция соединения наружных труб с внутренними трубами при помощи массивных фиксирующих фланцев приводит к большим тепловым потерям на концах наружных труб. Кроме того, при длительной эксплуатации скважины (более 20 лет) старение материала уплотнительных колец в сочетании с осевыми нагрузками от веса внутренней трубы и ее температурных деформаций приводит к нарушению прочности и плотности соединения внутренней и наружной трубы с фиксирующими фланцами. Образующиеся неплотности обуславливают отслоение и намокание теплоизоляционного материала под действием влаги окружающих пород, что снижает теплоизоляционные свойства термоизолирующего направления. Тепловые потери на поверхности наружной трубы вызывают растепление окружающих мерзлых пород, что приводит к образованию каверн, рост которых может стать причиной деформации конструкции скважины.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является создание устройства с повышенными эксплуатационными характеристиками и технологичного при монтаже на скважине.
Технический результат заключается в улучшении условий теплоизоляции за счет снижения теплопередачи в зоне соединения внутренней и наружной трубы каждой секции при одновременном повышении надежности и долговечности соединения секций теплоизолирующего направления.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в теплоизолирующем направлении буровой скважины, выполненном сборно-разборным и 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 внутренних труб, причем трубы жестко соединены между собой с помощью фиксирующих элементов, а выступающие концы внутренних труб смежных секций соединены посредством разборного соединения, зона стыка наружных труб каждой секции перекрыта защитным кожухом, а каждая полость между защитным кожухом и связанными между собой посредством разборного соединения внутренними трубами заполнена теплоизоляционным материалом, согласно полезной модели, фиксирующие элементы связаны с внутренней и наружной трубами герметично и неразъемно, и каждый элемент выполнен в виде кольцевой торцевой заглушки по меньшей мере с одним герметично закрывающимся отверстием, наружная поверхность наружной трубы каждой секции на концах снабжена опорными элементами, при этом защитный кожух торцами опирается на опорные элементы, расположенные на трубах смежных секций. Кроме того, разборное соединение внутренних труб смежных секций выполнено резьбовым, а также может быть выполнено посредством механического крепления элементов, торцевая заглушка выполнена по меньшей мере из двух частей и может быть выполнена с применением материала с меньшей теплопроводностью, чем теплопроводность материала труб, а защитный кожух выполнен по меньшей мере из двух частей, в каждой из которых размещен неподвижно теплоизоляционный материал.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен общий вид теплоизолирующего направления, состоящего из двух секций, в продольном разрезе; на фиг. 2 показан вид А на фиг. 1 - сопряжение защитного кожуха с опорными элементами, расположенными на трубах смежных секций.
Теплоизолирующее направление выполнено сборно-разборным и состоит, в частности, из двух секций 1 и 2. Каждая из секций 1, 2 теплоизолирующего направления 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, каждая заглушка выполнена по меньшей мере с одним герметично закрывающимся отверстием. Полость между трубами 3 и 4 заполнена теплоизоляционным материалом 6. Каждая из секций 1 и 2 в зоне соединения 7 выполнена с выступающими из наружной трубы 4 концами внутренней трубы 3, которые соединены между собой посредством разборного соединения, например, как показано на фиг. 1, посредством резьбового соединения с помощью муфты 8. Кроме того, внутренние трубы 3 смежных секций могут быть соединены посредством механического крепления элементов. Зона стыка наружных труб 4 каждой секции 1 и 2 перекрыта защитным кожухом 9, который может быть установлен, в частности внахлест на наружные трубы 4. Защитный кожух 9 торцами опирается на опорные элементы 10, расположенные на наружных трубах 4 смежных секций, защитный кожух может быть зафиксирован с помощью хомутов (на чертеже не показаны), выполненных, например, в виде стальных полуколец, стягиваемых болтами. Опорные элементы 10 выполнены, в частности кольцевыми и приварены на наружной поверхности наружных труб 4. Полость между защитным кожухом 9 и внутренними трубами 3 заполнена теплоизоляционным материалом 6.
Соединение внутренней и наружной труб между собой выполнено герметично и неразъемно с помощью кольцевых торцевых заглушек, что улучшает теплоизоляцию, исключает воздействие на теплоизоляционный материал влаги окружающих пород и деформаций сдвига от термического расширения и сужения материала внутренней трубы.
Выполнение заглушки по меньшей мере из двух частей обусловлено технологическими возможностями и позволяет получить сплошную кольцевую заглушку, обеспечивающую герметичное соединение внутренней и наружной труб независимо от их диаметров.
Торцевая заглушка может быть выполнена с применением материала с меньшей теплопроводностью, чем теплопроводность материала труб, например, полиамида, что обеспечивает дополнительное снижение теплопередачи между внутренней и наружной трубами в зоне их соединения. Например, выполнение торцевой заглушки из двух кольцевых соосных металлических частей, одна из которых герметично и неразъемно соединена с внутренней трубой, а другая - с наружной трубой, с установленной между этими частями кольцевой частью из полиамида, обеспечивает разрыв температурного моста и передачу механических нагрузок между внутренней и наружной трубами. При этом через герметично закрывающееся отверстие в заглушке осуществляют заполнение теплоизоляционным материалом полость между внутренней и наружной трубами при изготовлении теплоизолирующего направления, а затем герметично закрывают его, что исключает проникновение влаги в указанную полость при транспортировке, монтаже и эксплуатации теплоизолирующего направления.
Выполнение на концах наружных труб каждой секции опорных элементов, в частности кольцевых, которые приварены на наружной поверхности наружных труб и на которые торцами опирается защитный кожух, исключает осевое смещение защитного кожуха вдоль наружных труб при монтаже и спуске теплоизолирующего направления в скважину, что повышает надежность и долговечность соединения секций.
Выполнение разборного соединения внутренних труб смежных секций может быть резьбовым с применением стандартного резьбового соединения обсадных труб с использованием муфт (внутренняя труба может быть выполнена на концах с наружной резьбой, на один из концов трубы навинчена муфта для последующего соединения с концом другой внутренней трубы) или без них (внутренняя труба может быть выполнена на одном конце с внутренней резьбой, а на другом - с наружной), а также посредством механического крепления элементов. Механическое крепление может быть выполнено, например, посредством фланцев, установленных на торцах внутренних труб, и соответствующих крепежных элементов, либо посредством быстросборных трубных соединений. Выбор вида разборного соединения секций зависит от доступного при обустройстве скважин оборудования, а также от размеров и необходимого количества секций теплоизолирующего направления, что связано с несущей способностью каждого вида соединения.
Изготовление теплоизолирующего направления и монтаж на буровой скважине осуществляют следующим образом. В приведенном примере каждая секция теплоизолирующего направления содержит внутреннюю стальную обсадную трубу диаметром 426 мм, выполненную на концах, в частности со стандартной резьбой, и наружную стальную трубу диаметром 630 мм. Внутренние трубы смежных секций соединены, в частности посредством резьбового соединения с помощью муфты.
Каждую секцию теплоизолирующего направления изготавливают в заводских условиях по известной технологии «труба в трубе», при этом торцевые заглушки герметично и неразъемно соединены с внутренней и наружной трубами и выполнены по меньшей мере с одним герметично закрывающимся отверстием (на чертеже не показано), через которое осуществляют заполнение теплоизоляционным материалом полости между наружными и внутренними трубами. В качестве
теплоизоляционного материала может быть использован, например двухкомпонентный пенополиуретан, который после заполнения выдерживают до полной полимеризации.
Торцевые заглушки были выполнены, в частности из двух металлических частей, связанных между собой и с внутренней и наружной трубами с помощью сварки. Кроме того, торцевые заглушки были выполнены из 3-х частей каждая следующим образом. Торцевая заглушка выполнена из двух кольцевых металлических частей, расположенных соосно, между ними установлена кольцевая часть из полиамида (с меньшей теплопроводностью, чем теплопроводность материала труб), которая осуществляет передачу осевых механических нагрузок между внутренней и наружной трубами и обеспечивает снижение теплопередачи между ними. При этом кольцевые металлические части заглушки связаны герметично и неразъемно с внутренней и наружной трубами.
Установку и сборку теплоизолирующего направления на скважине осуществляют с помощью стандартного спускоподъемного оборудования буровой установки. Каждую секцию теплоизолирующего направления фиксируют на роторе буровой установки с использованием элеватора. После свинчивания верхнего конца внутренней трубы секции 1 с нижним концом внутренней трубы секции 2, например, посредством резьбовой муфты с использованием гидравлического ключа, в зоне стыка секций 1 и 2 устанавливают теплоизоляцию, например, в виде теплоизоляционных скорлуп из пенополиуретана, которые перекрывают защитным стальным кожухом. Защитный кожух торцами устанавливают на опорные элементы, расположенные на трубах смежных секций, и фиксируют посредством хомутов (на чертеже не показаны).
При компьютерном моделировании и анализе конструкции теплоизолирующего направления с помощью программных средств было отмечено уменьшение теплопередачи в зоне соединения внутренних и наружных труб с применением торцевых заглушек, выполненных из двух частей, до 15% и с применением торцевых заглушек, выполненных из трех частей (с одной частью из полиамида) - до 25% по сравнению с прототипом.
Применение предлагаемого теплоизолирующего направления позволяет осуществлять его установку в скважину с использованием стандартного оборудования буровой установки. При монтаже и спуске теплоизолирующего направления в скважину предотвращены осевые смещения защитного кожуха вдоль наружных труб, снижены тепловые потери, что повышает надежность и долговечность соединения секций теплоизолирующего направления, предотвращает растепление окружающих мерзлых пород и деформацию конструкции скважины.