УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ СКВАЖИН

Изобретение относится к области строительства скважин и может быть использовано для выполнения технологических процессов ступенчатого и манжетного цементирования скважин, прежде всего наклонных и с горизонтальным окончанием ствола.
Известно устройство для цементирования скважин, включающее корпус с центральным проходным каналом, внутренней поверхностью, выполненной с кольцевыми выступами и впадинами, и радиальными циркуляционными отверстиями, установленные в корпусе и телескопически соединенные между собой срезным элементом двухходовую втулку одностороннего перемещения и кольцо, в кольцевые сепараторы которых установлены конические упоры с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и выдвижения при этом в центральный проходной канал или выхода из него, причем двуходовая втулка выполнена с радиальными циркуляционными отверстиями, расположенными выше радиальных циркуляционных отверстий корпуса и разобщенными от них с возможностью сообщения с ними и повторного разобщения соответственно при первом и втором ходах двухходовой втулки вниз, и снабжена механическим ограничителем ее первого хода, установленным с возможностью вывода его из рабочего положения, а впадина внутренней поверхности корпуса непосредственно под кольцевым выступом, размещенным в зоне кольца, выполнена ступенчатой, сужающейся сверху вниз (Патент Российской Федерации №2096585, Е21В 33/14, 1995).
Недостатком данного устройства является отсутствие его технологической универсальности в качестве проходного. Оно неприменимо как проходное в общепринятой технологии ступенчатого цементирования с использованием практически неограниченной номенклатуры тампонажных
смесей. Имеется в виду проведение цементирования скважины двумя последовательными ступенями с доведением продавочной пробки на первой ступени до отдельного упорного кольца, размещенного вблизи башмака обсадной колонны. Оно также не может применяться по общепринятой схеме манжетного цементирования, предусматривающей последовательное управление - с использованием разделительных пробок - заколонным пакером и установленной над ним цементировочной муфтой.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для цементирования скважин, включающее корпус с центральным проходным каналом, внутренней поверхностью, выполненной с кольцевыми выступами и впадинами, радиальными циркуляционными отверстиями и радиально размещенными редукционными клапанами, разобщенными от центрального проходного канала заслонкой с радиально подвижными элементами, образующими седло в центральном проходном канале, кольцо и двухходовую втулку одностороннего перемещения с радиальными циркуляционными отверстиями, обратным клапаном, механическим ограничителем ее первого хода и автономным редукционным клапаном, при этом двухходовая втулка и кольцо установлены в корпусе и телескопически соединены между собой срезным элементом, а в их кольцевые сепараторы установлены конические упоры с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и выдвижения при этом в центральный проходной канал или выхода из него, причем радиальные циркуляционные отверстия двухходовой втулки расположены выше радиальных циркуляционных отверстий корпуса и разобщены от них с возможностью сообщения с ними и повторного разобщения соответственно при первом и втором ходах двухходовой втулки вниз, ее обратный клапан размещен с возможностью перекрытия редукционных клапанов корпуса после первого хода двухходовой втулки, а механический ограничитель первого хода двухходовой втулки установлен с возможностью вывода его из рабочего положения, при этом двухходовая
втулка выполнена с возможностью образования с корпусом гидротормоза в виде сообщенной с автономным редукционным клапаном замкнутой кольцевой полости после повторного разобщения радиальных циркуляционных отверстий двухходовой втулки и корпуса, впадина внутренней поверхности корпуса непосредственно под кольцевым выступом, размещенным в зоне кольца, выполнена ступенчатой, сужающейся сверху вниз, а двухходовая втулка и корпус ниже циркуляционных отверстий выполнены со смежными углублениями, размещенными с возможностью образования одновременно с гидротормозом обводного канала от циркуляционных отверстий двухходовой втулки к редукционным клапанам корпуса (Патент Российской Федерации №2145662, Е21В 33/14, 1999).
Известное устройство является технологически универсальным в качестве проходного и может обеспечить вывод остатков тампонажного раствора из его центрального проходного канала в заколонное пространство после цементирования скважины с исключением при этом преждевременного срабатывания устройства и возможности обратного поступления тампонажного раствора через его каналы в полость колонны.
Недостатком данного устройства является низкая надежность его работы.
При использования известного устройства не гарантировано сообщение и повторное разобщение радиальных циркуляционных отверстий корпуса и двухходовой втулки в процессе цементирования скважины при первом и втором ходах двухходовой втулки вниз.
Учитывая недостаточную жесткость седла в центральном проходном канале, образованного радиально подвижными элементами заслонки, может наблюдаться отсутствие осевого перемещения заслонки при прохождении цельнорезиновой разделительной пробки через нее и, следовательно, может отсутствовать гидравлическое сообщение центрального проходного канала с заколонным пространством скважины через редукционные клапана, необходимое для посадки первой резинометаллической разделительной
пробки на седло, образованное упорами двухходовой втулки после окончания продавливания тампонажных растворов первой ступени цементирования. В результате не произойдет сообщение радиальных циркуляционных отверстий корпуса и двухходовой втулки на первой ступени цементирования.
Вследствие того, что при совершении первого хода двухходовой втулки с кольцом вниз, в самый начальный момент сообщения циркуляционных отверстий корпуса и двухходовой втулки, произойдет падение давления над цементировочной пробкой в центральном проходном канале и перемещение двухходовой втулки замедлится и может прекратиться, при этом конические упоры кольца не выдвинутся полностью в центральный проходной канал на цилиндрическую поверхность кольцевого выступа корпуса и, следовательно, не образуют седло, необходимое для надежной посадки на него второй резинометаллической разделительной пробки. В таком положении конических упоров кольца не обеспечивается надежное взаимодействие их со второй резинометаллической пробкой и, следовательно, совершение второго хода двухходовой втулки невозможно. При этом не достигается герметичность устройства, что не обеспечивает необходимую для эксплуатации скважин герметичность обсадной колонны.
Задача, решаемая предлагаемым изобретением, - обеспечение полной надежности работы устройства для цементирования скважин.
Данная задача решается созданием гарантированного сообщения и повторного разобщения радиальных циркуляционных отверстий корпуса и двухходовой втулки устройства в процессе цементирования скважины при первом и втором ходах двухходовой втулки вниз.
Решение указанной задачи достигается тем, что в устройстве для цементирования скважин, включающем корпус с центральным проходным каналом, внутренней поверхностью, выполненной с кольцевыми выступами и впадинами, радиальными циркуляционными отверстиями и радиально размещенными редукционными клапанами, разобщенными от центрального
проходного канала заслонкой с радиально подвижными элементами, образующими седло в центральном проходном канале, кольцо и двухходовую втулку одностороннего перемещения с радиальными циркуляционными отверстиями, обратным клапаном, механическим ограничителем ее первого хода и автономным редукционным клапаном, при этом двухходовая втулка и кольцо установлены в корпусе и телескопически соединены между собой срезным элементом, а в их кольцевые сепараторы установлены конические упоры с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса и выдвижения при этом в центральный проходной канал или выхода из него, причем радиальные циркуляционные отверстия двухходовой втулки расположены выше радиальных циркуляционных отверстий корпуса и разобщены от них с возможностью сообщения с ними и повторного разобщения соответственно при первом и втором ходах двухходовой втулки вниз, ее обратный клапан размещен с возможностью перекрытия редукционных клапанов корпуса после первого хода двухходовой втулки, а механический ограничитель первого хода двухходовой втулки установлен с возможностью вывода его из рабочего положения, при этом двухходовая втулка выполнена с возможностью образования с корпусом гидротормоза в виде сообщенной с автономным редукционным клапаном замкнутой кольцевой полости после повторного разобщения радиальных циркуляционных отверстий двухходовой втулки и корпуса, впадина внутренней поверхности корпуса непосредственно под кольцевым выступом, размещенным в зоне кольца, выполнена ступенчатой, сужающейся сверху вниз, а двухходовая втулка и корпус ниже циркуляционных отверстий выполнены со смежными углублениями, размещенными с возможностью образования одновременно с гидротормозом обводного канала от циркуляционных отверстий двухходовой втулки к редукционным клапанам корпуса, заслонка выполнена с продольными сквозными пазами и снабжена шарами, размещенными в продольных сквозных пазах с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью
корпуса и с радиально подвижными элементами заслонки, а во внутренней поверхности корпуса ниже его редукционных клапанов выполнена дополнительная кольцевая впадина с возможностью радиального перемещения шаров в нее при осевом перемещении заслонки, при этом величина перемещения двухходовой втулки при первом ходе Н определяется из соотношения: Н≥h+R+r, где h - величина перемещения двухходовой втулки при первом ходе до начального положения, при котором конические упоры кольцевого сепаратора кольца полностью выдвинуты в центральный проходной канал с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом внутренней поверхности корпуса; R - радиус радиальных циркуляционных отверстий корпуса; r - радиус радиальных циркуляционных отверстий двухходовой втулки.
Указанная совокупность признаков не известна из научно-технической и патентной литературы, что означает соответствие предложенного устройства для цементирования скважин требованиям, предъявляемым к полезным моделям.
Изобретение поясняется графическими изображениями.
На фиг.1 изображено устройство для цементирования скважин в исходном положении (при спуске в скважину). На фиг.2 - разрез Б-Б (см. фиг.1). На фиг.3 - устройство после перемещения двухходовой втулки на величину h при первом ходе до начального положения, при котором конические упоры кольцевого сепаратора кольца полностью выдвинуты в центральный проходной канал и взаимодействуют с кольцевым выступом внутренней поверхности корпуса. На фиг.4 - по окончании первого хода двухходовой втулки. На фиг.5 - в момент задержки второго хода двухходовой втулки гидротормозом. На фиг.6 - в момент окончания второго хода двухходовой втулки.
Устройство (фиг.1) устанавливается на обсадной колонне (посредством присоединительных резьб) и включает составной корпус 1 с центральным проходным каналом 2, с радиальными циркуляционными отверстиями 3
радиусом R и с внутренней поверхностью, выполненной с кольцевыми выступами 4, 5 и кольцевыми впадинами 6, 7, 8, дополнительной кольцевой впадиной 9, установленные в корпусе 1 и телескопически соединенные между собой срезным элементом 10 двухходовую втулку 11 одностороннего перемещения и кольцо 12, выполненные с кольцевыми сепараторами, в которых установлены конические упоры 13 и 14 (пунктиром показаны конические упоры 14 после перемещения их вместе с кольцом 12 и двухходовой втулкой 11 вниз на величину h при первом ходе до начального положения, при котором конические упоры 14 кольцевого сепаратора кольца 12 полностью выдвинуты в центральный проходной канал 2 и взаимодействуют с кольцевым выступом 4 внутренней поверхности корпуса 1) с пружинами центробежного действия 15 с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью корпуса 1 и выдвижения при этом в центральный проходной канал 2 или выхода из этого канала, а также с возможностью взаимодействия соответственно с нижней и верхней резинометаллическими разделительными пробками 16, показанными на фиг.3, 4 и 5. Пружины 15 выполняются, например, в виде кольца или изогнутой пластины. Двухходовая втулка 11 зафиксирована в корпусе 1 срезным винтом 17 и снабжена механическим ограничителем 18 ее первого хода, установленным в кольцевой впадине 7 и выполненным с возможностью вывода его из рабочего положения смещением кольца 12 относительно втулки 11. Кольцевая впадина 7 внутренней поверхности корпуса 1 непосредственно под кольцевым выступом 4, размещенным в зоне кольца 12, выполнена ступенчатой, сужающейся сверху вниз. Ограничитель 18 включает секторные фиксаторы, удерживаемые от перемещения к оси устройства кольцевой опорой 19, установленной во втулке 11 на срезном штифте. Кроме того, двухходовая втулка 11 выполнена с радиальными циркуляционными отверстиями 20 радиусом r, размещенными выше радиальных циркуляционных отверстий 3 корпуса 1 и разобщенными от них с возможностью сообщения с ними и повторного разобщения соответственно
при первом и втором ходах двухходовой втулки 11 вниз. Двухходовая втулка 11 снабжена автономным редукционным клапаном 21 и выполнена с возможностью образования с корпусом 1 гидротормоза в виде сообщенной с автономным редукционным клапаном 21 замкнутой кольцевой полости 22, показанной на фиг.5, непосредственно после повторного разобщения циркуляционных отверстий 20 и 3 двухходовой втулки 11 и корпуса 1. Автономный редукционный клапан 21 может быть выполнен в виде резиновой манжеты, перекрывающей ряд радиальных калиброванных отверстий двухходовой втулки 11. При этом втулка 11 и корпус 1 ниже циркуляционных отверстий 20 и 3 выполнены со смежными кольцевыми углублениями 23 и 24, размещенными с возможностью образования одновременно с упомянутым гидротормозом обводного канала вокруг первой резинометаллической разделительной пробки 16 (фиг.5) от циркуляционных отверстий 20 двухходовой втулки 11 к редукционным клапанам 25, радиально размещенным в теле корпуса 1 по кольцевому ряду и разобщенным от центрального проходного канала 2 зафиксированной срезным штифтом заслонкой 26 с продольными сквозными пазами 27, в которых размещены шары 28, взаимодействующие с внутренней поверхностью корпуса 1 и радиально подвижными элементами 29 заслонки 26 (фиг.2). Заслонка 26 обеспечивает защиту редукционных клапанов 25 от преждевременного срабатывания при непредвиденном повышении давления в колонне. Радиально подвижные элементы 29 заслонки 26 с шарами 28, взаимодействующими с кольцевым выступом 5 корпуса 1 и радиально подвижными элементами 29, образуют в центральном проходном канале 2 жесткое седло с возможностью его взаимодействия с цельнорезиновой разделительной пробкой и выхода из центрального проходного канала 2 за счет радиального перемещения шаров 28 в дополнительную кольцевую впадину 9 и радиального перемещения (деформирования) упомянутых элементов 29 после осевого смещения заслонки 26. Радиально подвижные элементы 29 выполняются, например, в виде радиально деформируемых
лепестков. Корпус 1 соединен с верхним и нижним переводниками. Уплотнения зазоров обеспечиваются резиновыми кольцами.
Резинометаллические разделительные пробки 16 выполнены с обратными клапанами 30, открывающимися в сторону надпробочного пространства (фиг.3, 4, 5).
Двухходовая втулка 11 в нижней части снабжена обратным клапаном 31, выполненным в виде резиновой манжеты, установленной в кольцевой проточке наружной поверхности втулки 11 с перекрытием кольцевого ряда радиальных отверстий кольцевой проточки, и размещенным с возможностью перекрытия редукционных клапанов 25 после первого хода втулки 11 (фиг.4). Указанным перекрытием исключается поступление тампонажного раствора в центральный проходной канал 2 из заколонного пространства на второй ступени цементирования.
На фиг.3 пунктирной линией показаны конические упоры 14 в начальном положении работы устройства.
Величина перемещения двухходовой втулки 11 при первом ходе - Н (фиг.1), a h - величина перемещения двухходовой втулки при первом ходе до начального положения, при котором конические упоры 14 кольцевого сепаратора кольца 12 полностью выдвинуты в центральный проходной канал 2 с возможностью взаимодействия с кольцевым выступом 4 внутренней поверхности корпуса 1 (фиг.3).
Устройство для цементирования скважин работает следующим образом (на примере ступенчатого цементирования скважины).
3
После закачки в обсадную колонну тампонажного материала для первой ступени цементирования (в минимальной мере ухудшающего коллекторские свойства продуктивного пласта) пускают цельнорезиновую разделительную пробку и продавливают ее до посадки на "стоп"-кольцо (расположенного вблизи башмака колонны) путем закачки в колонну заданных жидкостей. Этими жидкостями может быть порция воды в объеме, несколько (на 0,5-1,0 м) превышающем объем полости колонны между
"стоп" - кольцом и устройством, и закачиваемая затем порция бурового раствора. Между указанными порциями в колонну пускают первую резинометаллическую разделительную пробку для ускорения ее посадки в устройство после получения сигнала "стоп" на первой ступени цементирования.
При прохождении через центральный проходной канал 2 устройства цельнорезиновая разделительная пробка садиться на жесткое седло, образованное радиально подвижными элементами 29 заслонки 26 и шарами 28, взаимодействующими с кольцевым выступом 5 корпуса 1 и радиально подвижными элементами 29, сдвигает заслонку 26 в осевом направлении до упора в торец А нижнего переводника (фиг.1, 2, 3), радиально деформирует упомянутые элементы 29 (разжатием лепестков), которые, выходя из центрального проходного канала 2, радиально перемещают шары 28 в дополнительную кольцевую впадину 9 и затем цельнорезиновая разделительная пробка смещается в направлении "стоп" - кольца. Осевое смещение заслонки 26 обеспечивает гидравлическое сообщение редукционных клапанов 25 с центральным проходным каналом 2 (фиг.1), т.е. обеспечивает снятие защиты редукционных клапанов 25 от преждевременного срабатывания. Размещение шаров 28 в продольных сквозных пазах 27 заслонки 26 исключает их заклинивание во время взаимодействия цельнорезиновой разделительной пробки с упомянутым седлом и осевого смещения заслонки 26 (фиг.1, 2, 3).
После посадки цельнорезиновой разделительной пробки на "стоп" - кольцо (получения сигнала "стоп") повышают давление в обсадной колонне до величины, обеспечивающей срабатывание, по меньшей мере, одного редукционного клапана 25 (фиг.3) (выдавливание его запорного элемента - зафиксированной срезным штифтом пробки - в заколонное пространство) и тем самым создается гидравлическое сообщение между центральным проходным каналом 2 и заколонным пространством, достаточное для
медленного продавливания и "мягкой" посадки первой резинометаллической разделительной пробки 16 на конические упоры 13.
Таким образом гарантируется сообщение радиальных циркуляционных отверстий 3 и 20 корпуса 1 и двухходовой втулки 11.
Первая резинометаллическая разделительная пробка 16, взаимодействуя с упорами 13, обеспечивает срез винта 17 (фиг.3) и перемещает двухходовую втулку 11 вниз. При перемещении двухходовой втулки 11 вниз кольцо 12 также перемещается вниз, выдвигая конические упоры 14 в центральный проходной канал 2. На длине перемещения двухходовой втулки 11, равной h, происходит движение конических упоров 14 по конической поверхности корпуса 1, соединяющей кольцевую впадину 6 с кольцевым выступом 4, и полное выдвижение упоров 14 в центральный проходной канал 2 благодаря их взаимодействию с кольцевым выступом 4 внутренней поверхности корпуса 1, т.е. образуется седло для посадки второй резинометаллической разделительной пробки. В этом положении радиальные циркуляционные отверстия 3 и 20 еще не сообщаются, если параметры устройства связаны между собой соотношением: Н≥h+R+r.Перемещение двухходовой втулки 11 на величину h под действием расчетного перепада давления над первой резинометаллической разделительной пробкой 16 надежно и гарантированно только при условии, что при этом перемещении радиальные циркуляционные отверстия 3 и 20 гидравлически не сообщаются, что обеспечивает поддержание в центральном проходном канале 2 заданного перепада давления над первой резинометаллической разделительной пробкой 16, необходимого для указанного перемещения двухходовой втулки 11 с полным выдвижением конических упоров 14 в центральный проходной канал 2. Если гидравлическое сообщение радиальных циркуляционных отверстий 3 и 20 начнется до завершения перемещения двухходовой втулки 11 на величину h, то перепад давления над первой резинометаллической разделительной пробкой 16 может быть меньше заданного в результате гидравлического
сообщения над резинометаллической разделительной пробкой внутриколонного и заколонного пространств скважины, и двухходовая втулка 11 может не переместиться на величину h, т.е. упоры 14 будут располагаться на конической поверхности корпуса 1, соединяющей кольцевую впадину 6 с кольцевым выступом 4, и полное выдвижение конических упоров 14 в центральный проходной канал 2 не произойдет, а значит не будет образовано седло из конических упоров 14, необходимое для совершения второго хода двухходовой втулки 11. Таким образом, в устройстве, параметры которого связаны между собой соотношением Н≥h+R+r, гарантируется совершение второго хода двухходовой втулки 11 и повторное разобщение радиальных циркуляционных отверстий 3 и 20 корпуса 1 и двухходовой втулки 11, а, следовательно, обеспечивается надежная работа устройства. После перемещения двухходовой втулки 11 вниз на величину h она продолжает свой первый ход до совмещения радиальных циркуляционных отверстий 3 и 20. При этом редукционные клапаны 25 перекрываются обратным клапаном 31 двухходовой втулки 11 (фиг.4), чем исключается возможность обратного поступления тампонажного раствора через отверстия этого клапана в полость обсадной колонны. При совершении двухходовой втулкой 11 первого хода на величину Н (совмещение радиальных циркуляционных отверстий 3 и 20) перемещение ее прекращается благодаря взаимодействию механического ограничителя 18 с корпусом 1 (т.е. упору секторных фиксаторов ограничителя 18 в конический бурт корпуса 1). Операции, осуществляемые посредством первой резинометаллической разделительной пробки 16, контролируются по заданному повышению давления в обсадной колонне (срез винта 17) и последующему снижению этого давления с возобновлением циркуляции жидкостей в скважине через отверстия 3 и 20.
При взаимодействии второй резинометаллической разделительной пробки 16 с коническими упорами 14 (по окончании продавливания тампонажных материалов второй ступени цементирования через
циркуляционные отверстия 3 и 20) вначале происходит срез элемента 10. Этим срезом обеспечивается смещение кольца 12 относительно двухходовой втулки 11 (фиг.5), в результате которого против секторных фиксаторов механического ограничителя 18 вместо кольцевой опоры 19 располагается кольцевой паз кольца 12, и секторные фиксаторы радиально смещаются до упора в стенку этого паза с прекращением их упора в конический бурт корпуса 1, то есть двухходовая втулка 11 освобождается от осевой фиксации.
Затем (фиг.5) двухходовая втулка 11 вместе с кольцом 12 смещается вниз до повторного разобщения циркуляционных отверстий 3 и 20, сопровождающегося выходом конических упоров 14 из центрального проходного канала 2 в кольцевую впадину 7 внутренней поверхности корпуса 1, образованием обводного канала вокруг первой резинометаллической разделительной пробки 16 от циркуляционных отверстий 20 втулки 11 через обратный клапан 31 к редукционным клапанам 25 (за счет соответствующего размещения углублений 23 и 24), а также образованием гидротормоза в виде сообщенной с автономным редукционным клапаном 21 замкнутой кольцевой полости 22.
Вторая резинометаллическая разделительная пробка 16 смещается до упора в первую аналогичную пробку, расположенную на упорах 13, вытесняя из межпробочного пространства тампонажный материал в заколонное пространство через обводной канал, обратный клапан 31 и редукционный клапан 25.
Заданным повышением давления в полости обсадной колонны над устройством после посадки второй резинометаллической разделительной пробки 16 на первую производят (за счет мультипликации давления в кольцевой полости 22) открытие автономного редукционного клапана 21 - разрыв его резиновой манжеты против одного или нескольких перекрываемых ею радиальных калиброванных отверстий двухходовой втулки 11. В результате происходит дополнительное смещение втулки 11 и кольца 12 (фиг.6) до герметичного перекрытия втулкой 11 редукционных
клапанов 25, сопровождающееся выходом конических упоров 13 из центрального проходного канала 2 в кольцевую впадину 8 внутренней поверхности корпуса 1 (при сохранении разобщения радиальных циркуляционных отверстий 3 и 20), т.е. происходит окончание второго хода втулки 11. Резинометаллические разделительные пробки освобождаются для механического проталкивания в направлении к башмаку обсадной колонны.
При проведении работ по освоению скважины смещают резинометаллические разделительные пробки до их посадки на цельнорезиновую разделительную пробку, размещенную на "стоп" - кольце. При смещении резинометаллических разделительных пробок вытесняемая ими жидкость через обратные клапаны 30 этих пробок (фиг.5) перепускается в надпробочное пространство.
Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что оно обладает свойством технологической универсальности в качестве проходного (не перекрывающего канал обсадной колонны) и имеет высокую надежность работы, обеспечивающую гарантированное сообщение и повторное разобщение внутриколонного и заколонного пространства при ступенчатом и манжетном цементировании скважин.
Опытно-промышленными работами подтверждена высокая надежность работы предлагаемого устройства.