Устройство для герметизации эксплуатационной колонны

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области герметизации эксплуатационной колонны.
Известно устройство для герметизации эксплуатационной колонны в скважине (патент на полезную модель RU №100799, МПК Е21В 29/10, опубл. 27.12.2010, бюл. №36), включающее привод с двумя расширяющими пуансонами, размещенными на одной штанге, и расширяемый патрубок с уменьшенным внутренним диаметром концевых участков, отличающееся тем, что уменьшение внутреннего диаметра концевых участков патрубка выполнено за счет их сужения без увеличения толщины, причем суженные концевые участки патрубка предварительно расширены по концам на длину не менее двух толщин стенки патрубка на его концах, а снаружи на них одеты эластичные уплотнения, выполненные в виде тонкостенной цилиндрической оболочки и закрепленные от перемещения с одного конца на буртике патрубка, причем верхний пуансон установлен ниже верхнего концевого участка на расстоянии, достаточном для расширения нижнего концевого участка, а для перекрытия длинных участков обсадной колонны патрубок может быть выполнен сборным из нескольких труб, соединяемых на устье скважины резьбой или сваркой.
Недостатками устройства являются ограничение длины устройства из-за нагружения всей трубы при расширении нижнего наконечника и длины наконечников из-за использования одного рабочего хода гидравлического посадочного устройства для расширения обоих наконечников. Также недостатками является потеря устойчивости, смятие, нарушение резьбовых соединений при нагружении всей трубы при большой ее длине.
Известно устройство извлекаемого резьбового пластыря для герметизации нарушений эксплуатационной колонны (патент RU №2592310, МПК Е21В 29/10, опубл. 20.07.2016 в бюл. №20), включающее верхний и нижний пакерующие элементы, на которых размещены уплотнительные манжеты, гидравлический посадочный инструмент со штоком, верхний и нижний конусные дорны, отличающееся тем, что устройство снабжено вторым гидравлическим посадочным инструментом, включающим ловитель, адаптером, расположенным между верхним и нижним пакерующими элементами, имеющим посадочное седло с бортиком, фаску и складывающееся кольцо, установленное в седле адаптера и имеющее свободный ход, пакерующие элементы выполнены с возможностью их поочередного расширения, начиная с верхнего, в результате двух спуско-подъемных операций с поочередным применением двух гидравлических посадочных инструментов, складывающееся кольцо выполнено с возможностью упора в фаску нижней части адаптера, имеющей меньший внутренний диаметр относительно верхней, при взаимодействии со вторым гидравлическим посадочным инструментом при его опускании и с возможностью последующего раскрытия сегментов кольца после упора его в бортик посадочного седла адаптера при подъеме второго гидравлического посадочного инструмента для обеспечения прохождения нижнего конусного дорна после расширения нижнего пакерующего элемента, при этом нижний пакерующий элемент содержит ловильный патрубок, а верхний и нижний пакерующие элементы выполнены с нарезанными насечками по корпусу.
Недостатками устройства являются сложность операций и низкая надежность.
Наиболее близко по своей технической сущности к предлагаемому устройство для герметизации эксплуатационной колонны (патент RU №2465435, МПК Е21В 29/10, опубл. 27.10.2012 в бюл. №30), включающее трубу с возможностью сборки из отдельных секций с присоединенными к ней суженными верхним и нижним наконечниками, внутри которых размешены верхний и нижний расширяющие пуансоны, взаимодействующие с гидравлическим посадочным инструментом, а снаружи - эластичные уплотнения, отличающееся тем, что посадочный инструмент выполнен с возможностью прохода через трубу и расширенные наконечники и взаимодействует цилиндром с нижним пуансоном, полый шток посадочного инструмента соединен с колонной технологических труб через полую штангу, проходящую внутри устройства, на которой с возможностью ограниченного перемещения установлен нижний захват, взаимодействующий с трубой выше нижнего наконечника, и жестко закреплен на определенном расстоянии выше посадочного инструмента верхний захват, выполненный наружным габаритом меньше осевого канала верхнего пуансона, а на верхний торец верхнего наконечника установлен и закреплен с возможностью срыва вверх заданной нагрузкой упор.
Недостатками устройства являются низкие прочность и надежность, т.к. посадочный инструмент, имея большую длину (3-4 м), установлен ниже нижнего наконечника, что приводит к его деформациям при спуске устройства в скважину из-за стыков и неровностей в эксплуатационной колонне и в конечном счете к некачественному расширению и даже застреванию посадочного инструмента в нем. Низкая надежность связана с тем, что верхний захват должен перемещаться через проход верхнего пуансона, следовательно, он имеет маленькие поперечные размеры и, соответственно, низкую прочность.
Техническими задачами, предлагаемого устройства являются повышение прочности и надежности устройства за счет размещения посадочного инструмента внутри трубы при расширении нижнего наконечника, уменьшения прохода расширяемого нижнего наконечника при необходимости увеличения толщины его стенки, а также увеличения поперечных размеров верхнего захвата за счет выполнения верхнего пуансона составным.
Указанные задачи решаются предлагаемым устройством для герметизации эксплуатационной колонны в скважине, включающим трубу с возможностью сборки из отдельных секций с присоединенными к ней суженными верхним и нижним наконечниками с эластичными уплотнениями снаружи, внутри которых размещены верхний и нижний расширяющие пуансоны, взаимодействующие с гидравлическим посадочным инструментом, содержащим цилиндр и поршень с полыми штоками, причем посадочный инструмент выполнен с возможностью прохода через трубу и расширенные наконечники и взаимодействует цилиндром с нижним пуансоном, полый шток посадочного инструмента соединен с колонной технологических труб через полую штангу, проходящую внутри устройства, на которой с возможностью ограниченного перемещения установлен нижний захват, взаимодействующий с трубой выше нижнего наконечника, и жестко закреплен на определенном расстоянии выше посадочного инструмента верхний захват, а на верхний торец верхнего наконечника установлен и закреплен с возможностью срыва вверх заданной нагрузкой упор.
Новым является то, что посадочный инструмент размещен внутри трубы выше нижнего наконечника, а его цилиндр снабжен в нижней части штоком, к которому присоединен нижний пуансон.
Новым является также то, что верхний пуансон выполнен составным из направляющей и расширяющей частей, причем расширяющая часть размещена непосредственно в верхнем наконечнике, а направляющая - ниже верхнего захвата.
Сущность полезной модели заключается в том, что в результате оснащения низа цилиндра посадочного инструмента штоком с пуансоном удалось переместить его внутрь трубы, а выполнение верхнего пуансона составным позволило переместить его направляющую часть под верхний захват, что, в свою очередь, позволило увеличить размеры верхнего захвата и, соответственно, повисить его прочность и надежность.
На фиг. 1 показано устройство, спущенное в интервал установки скважины.
На фиг. 2 - устройство после расширения нижнего наконечника в стадии готовности к расширению верхнего наконечника.
На фиг. 3 - установленная в скважине труба с расширенными наконечниками.
Устройство (фиг. 1) содержит многосекционную трубу 1 с присоединенными к ней нижним 2 и верхним 3 наконечниками, на которые одеты эластичные уплотнения 4. Внутри нижнего наконечника 2 размещен нижний пуансон 5, установленный на шток 6 с гайкой 7, расширяющая часть верхнего пуансона 8 в верхнем наконечнике 3, посадочный инструмент 9 с цилиндром 10, внутри которого размещен поршень 11 с полым штоком 12, имеющим над поршнем отверстие 13, сообщающее полость штока 12 с надпоршневым пространством цилиндра 10. Отверстие 14 в нижней части цилиндра 10 сообщает подпоршневое пространство со скважиной.
Полый шток 12 через полую штангу 15 соединен с колонной технологических труб 16. На шток 12 с возможностью ограниченного перемещения до муфты 17 одет нижний захват 18 с проточкой 19, упертый разрезным кольцом 20 в расточки 21 трубы 1, а сверху в муфту 17. Выше, на определенном расстоянии от верхнего торца 22 посадочного инструмента, на штанге 15 жестко закреплен верхний захват 23 с пружиной 24, плашками 25. На верхнем торце нижнего захвата 18, ниже верхнего захвата 23, может быть размещена, если верхний пуансон 8 выполнен составным, направляющая часть 26 верхнего пуансона 8.
На верхнем торце 27 верхнего наконечника 3 установлен упор 28 с проходом 29 и фаской 30 и закреплен к наконечнику 3 срезным штифтом 31. Кроме того, в упоре 28 выполнено отверстие 32.
Устройство спускают в скважину с эксплуатационной колонной 33 на технологических трубах 16 таким образом, чтобы интервал негерметичности 34 находился между эластичными уплотнениями 4 нижнего 2 и верхнего 3 наконечников.
Работает устройство следующим образом.
После спуска устройства в интервал установки в колонну технологических труб 16 производят закачку жидкости под давлением. Жидкость через полую штангу 15, полый шток 12 и отверстие в нем 13 попадает внутрь посадочного инструмента 9. В результате перепад давлений от разницы давлений закачки над поршнем 11 и скважинного давления под ним, так как благо даря отверстию 14 в цилиндре 10 под поршнем 11 давление равно скважинному, цилиндр 10 перемещается вверх, через шток 6 и гайку 7 тянет вверх нижний пуансон 5, расширяя нижний наконечник 2 и прижимая уплотнение 4 к стенкам эксплуатационной колонны 33. Усилие сжатия действует только на нижний наконечник 2 и короткий отрезок трубы, заключенные между проточками 21 и пуансоном 5. Усилие, действующее на поршень 11, через полый шток 12 передается через муфту 17 на нижний захват 18 и замыкается через разрезное кольцо 20 и расточки 21 на нижней части труб 1. После полного прохождения наконечника 2 пуансон 5 выходит в полость трубы 1 и освобождается. Труба 1 фиксируется нижним уплотнением 4 к стенкам эксплуатационной колонны 33.
После этого сбрасывают давление в технологических трубах 16 и тянут их вверх. Верхний торец 22 посадочного инструмента 9 толкает вверх нижний захват 18, разрезное кольцо 20 сжимается в проточку 19, отцепляется от расточек 21 трубы 1 и движется вместе с посадочным инструментом 9 вверх, толкая перед собой направляющую часть 26 (при наличии) вверх до ее вхождения и упора в расширяющую часть верхнего пуансона 8, при этом нижний захват упирается в верхний пуансон 8, а верхний захват 23 свободно проходит благодаря фаске 30 через проход 29, и с помощью пружины 24, плашки 25 закрепляется за верхний торец упора 28. На этой стадии поднятия технологических труб 16 поршень 11 вытягивается вверх относительно цилиндра 10, переводя посадочный инструмент 9 в исходное положение (фиг. 2).
После этого снова производят закачку жидкости под давлением в технологические трубы 16 (фиг. 1).
Под действием перепада давлений цилиндр 10 (фиг. 2) снова движется вверх, толкая торцом 22 нижний захват 18, а также верхний пуансон 8. При этом нагрузка через плашки 25 верхнего захвата и упор 29 через торец 27 замыкается на верхнем наконечнике 3.
Пуансон 8 проходит через наконечник 3, расширяя его и прижимая к стенкам эксплуатационной колонны 33 эластичный уплотнитель 4, выходит в расширенную верхнюю часть наконечника 3 и освобождается. При этом жидкость, толкаемая направляющей частью 26, как поршнем, из пространства между ней и упором 28 с захватом 23 выходит через отверстие 32, не препятствуя расширению.
После этого сбрасывают давление в технологических трубах 16 и поднимают их. При этом направляющая часть 26 верхнего пуансона 8 упирается в упор 29, под действием нагрузки штифт 31 срезается, и упор 29 вместе со всем оборудованием, подвешенным на штанге 15, извлекают из скважины (фиг. 3).
В скважине остается труба 1 (фиг. 3) с расширенными наконечниками 2 и 3 и плотно прижатыми в эксплуатационной колонне 33 уплотнениями 4, между которыми заключен и отключен от скважины негерметичный интервал 34.
При выполнении посадочного инструмента 9 многоцилиндровым из-за необходимости достижения больших усилий штоком 6 оснащают нижний цилиндр 10.
Так как толщина стенки трубы 1 ограничена, проточки 21 нельзя делать глубокими, поэтому их делают последовательно несколько штук или в виде упорной резьбы, соответственно и на разрезном кольце 20 выполняют ответную нарезку.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет разместить посадочный инструмент внутри трубы при расширении нижнего наконечника. Кроме указанных в начале описания задач, возможно также уменьшить проход расширяемого нижнего наконечника при необходимости увеличения толщины его стенки, а увеличение поперечных размеров верхнего захвата за счет выполнения верхнего пуансона составным позволяет увеличить его прочность и, соответственно, надежность.