Способ цементирования хвостовика в скважине и устройство для его осуществления
METHOD FOR CEMENTING A LINER IN A WELL AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам и устройствам для цементирования хвостовика в открытом и обсаженном стволе скважины.
Известно устройство для цементирования хвостовика в скважине (патент RU № 2448234, МПК Е21В 17/06, 43/10, опубл. 20.04.2012, бюл. № 11), содержащее установочную муфту для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, хвостовик, клапанный узел в виде подпружиненного обратного клапана и башмак. В стенке установочной муфты выполнены радиальные отверстия, в которых установлены разрушаемые под гидравлическим давлением диафрагмы, при этом она присоединена к корпусу на левой резьбе, внутри корпуса на срезаемых винтах установлена подвесная цементировочная пробка в виде блока эластичных конических манжет с сердечником с центральным проходным каналом и посадочным седлом в верхней части под сбрасываемую с устья скважины цементировочную пробку и посадочным конусом, выполненным на нижнем упорном кольце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца, установленного в стыке между нижним торцом хвостовика и верхним торцом переходника клапанного узла, в соединяющей их муфте. Способ цементирования хвостовика в скважине включает процесс монтирования устройства на устье скважины, спуск устройства и проведение цементирования.
Недостатками способа и устройства являются:
- невозможность вращения хвостовика в процессе его спуска в заданный интервал скважины и в процессе цементирования, что затрудняет его прохождение в зоне искривления ствола скважины и шламовых подушек, а также не дает качественного замещения тампонажного раствора в затрубном пространстве;
- отсоединение транспортировочной колонны от хвостовика осуществляется посредством левой резьбы, что делает проблематичным или даже невозможным отсоединение при малой длине хвостовика.
Наиболее близким к предлагаемому является способ цементирования хвостовика в скважине и устройство для его осуществления (патент RU № 2595122, МПК Е21В 33/14, опубл. 20.08.2016, бюл. № 23). Способ включает присоединение хвостовика с нижним башмаком отцепным устройством через установочную муфту к нижнему концу транспортировочной колонны труб, спуск в скважину хвостовика на заданную глубину, закачку в транспортировочную колонну труб расчетного объема тампонажного раствора, пуск с устья скважины вслед за последней порцией цементного раствора пробки и продавку ее продавочной жидкостью до фиксации ее в седле сердечника блока конических манжет, создание избыточного давления, под действием которого срезаются винты и пробка в компоновке с блоком конических манжет под действием повышенного давления перемещается вниз до стоп-кольца, в котором посадочный конус кольца плотно садится в седло стоп-кольца, при этом тампонажный раствор из полости хвостовика полностью поступает в заколонное пространство, а обратный клапан предотвращает вход раствора в полость хвостовика из заколонного пространства, получение сигнала о завершении процесса цементирования, повышение давления до расчетного для разрушения диафрагмы с открытием отверстий, через которые промывочной жидкостью осуществляют промывку излишков раствора созданием прямой циркуляции, отсоединение от корпуса установочной муфты с транспортировочной колонной труб за счет сброса шара и высвобождения удерживающих шариков, которые поднимают их на поверхность.
Устройство для цементирования хвостовика в скважине содержит корпус с верхней частью, включающей установочную муфту, для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб и нижней частью, включающей хвостовик, башмак с клапанным узлом, отверстие с разрушаемой под гидравлическим давлением диафрагмой, при этом верхняя часть корпуса с муфтой присоединена к нижней части корпуса отцепным устройством, внутри корпуса на срезаемых винтах установлена подвесная цементировочная пробка в виде блока эластичных конических манжет с сердечником с центральным проходным каналом и посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку и посадочным конусом, выполненным на нижнем упорном кольце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца, причем отверстие с диафрагмой выполнено в корпусе ниже муфты, ниже которого в корпусе выполнено кольцевое сужение в зоне фиксации срезными винтами подвесной пробки, причем диаметр сужения на 2-6 мм меньше внутреннего диаметра хвостовика, сбрасываемая пробка выполнена в виде технологического шара с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора, при этом на верхнем торце корпуса хвостовика выполнены пазы под наружные выступы, выполненные на поверхности муфты, а отцепной механизм выполнен в виде шариков, вставленных в радиальные отверстия муфты и взаимодействующих снаружи с внутренней выборкой корпуса хвостовика, а изнутри подпертых седлом под бросовый шар, причем минимальный внутренний диаметр седла больше диаметра технологического шара, и седло снабжено выше радиальных отверстий наружной цилиндрической проточкой, зафиксировано срезными элементами в верхнем положении и выполнено с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных элементов до взаимодействия шариков с проточкой и выхода шариков из взаимодействия с кольцевой выборкой корпуса, при этом клапанный узел выполнен в виде втулки с верхним глухим осевым каналом, в котором размещено стоп-кольцо, и сообщенными с осевым каналом ниже стоп-кольца радиальными каналами, сообщающими пространство башмака над и под втулкой, причем втулка зафиксирована в башмаке срезными винтами в верхнем положении и выполнена с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных винтов с герметичным перекрытием полости башмака и фиксации замковым механизмом в нижнем положении, причем замковый механизм выполнен в виде пружинного кольца, вставленного в кольцевую выборку снаружи втулки и выполненного с возможностью взаимодействия с внутренней кольцевой выборкой внутри башмака в нижнем положении втулки.
Недостатками известного способа и устройства являются:
- соединение установочной муфты и хвостовика осуществляют за счет шариков, существует вероятность оставления шариков в радиальных отверстиях муфты в начальном положении и возникает риск отсутствия отцепа хвостовика;
- сужения внутри устройства за счет наличия седла под бросовый шар, через который проходит продавочная пробка, может привести к заклиниванию пробки внутри седла, или сдвигу седла раньше расчетного времени и как следствие получению аварийной ситуации;
- наличие мембраны в промывочном окне также является слабым узлом подверженным перепадам давления как с наружной, так и с внутренней части устройства, что в свою очередь также может привести к преждевременному открытию промывочных окон и неправильной работе отцепного устройства в целом;
- принцип промывки головы хвостовика от излишков цементного раствора до отсоединения хвостовика с учетом особенностей представленной конструкции допускает размыв цемента за хвостовиком в его головной части, ниже устройства, что снижает качество цементирования хвостовика в целом.
Техническими задачами являются создание надежной, мало модульной и простой в применении конструкции, обеспечивающей доставку хвостовика в скважину, повышение эффективности цементирования хвостовика за счет повышения качества цементной крепи, совмещения операций цементирования и вращения обсадного хвостовика, гарантированного отсоединения колонны труб от хвостовика независимо от его длины и в любом интервале скважины с любой сложностью и направлением ствола.
Технические задачи решаются способом цементирования хвостовика в скважине, включающим присоединение нижней части корпуса устройства для цементирования с хвостовиком отцепным устройством через верхнюю часть корпуса устройства для цементирования хвостовика к нижнему концу транспортировочной колонны труб, спуск в скважину хвостовика на заданную глубину, закачку в транспортировочную колонну труб расчетного объема тампонажного раствора, пуск с устья скважины вслед за последней порцией тампонажного раствора продавочной пробки и продавку ее продавочной жидкостью до фиксации ее в посадочном седле сердечника блока конических манжет, создание избыточного давления с дальнейшим срезом винтов и перемещением подвесной цементировочной пробки в компоновке с блоком конических манжет под действием повышенного давления вниз до стоп-кольца и получения сигнала о завершении процесса цементирования, промывку излишков тампонажного раствора промывочной жидкостью и отсоединение транспортировочной колонны труб.
Новым является то, что отцепное устройство выполняют в виде как минимум двух срезных элементов толщиной, обеспечивающей возможность выдержки весовой нагрузки спускаемого в скважину хвостовика, выше и ниже срезных элементов на равном расстоянии от них выполняют радиальные проточки, которые оснащают герметизирующими манжетами, верхнюю часть корпуса соединяют с нижней частью корпуса с возможностью их синхронного вращения за счет взаимодействия наружных выступов верхней части корпуса с пазами, выполненными на торце нижней части корпуса, подвесную цементировочную пробку устанавливают в кольцевом сужении верхней части корпуса и фиксируют относительно верхней части корпуса при помощи срезных винтов, после их среза под действием давления перемещают подвесную цементировочную пробку вниз до посадки в стоп-кольцо, установленное в нижней части хвостовика, для чего внутренний диаметр поверхности нижней части корпуса, контактирующей с подвесной цементировочной пробкой, выбирают равным внутреннему диаметру спускаемого в скважину хвостовика, после получения сигнала о завершении процесса цементирования сначала производят отсоединение транспортировочной колонны труб посредством разгрузки хвостовика на забой на вес, превышающий вес хвостовика не менее чем на 150 %, затем транспортировочную колонну труб приподнимают на высоту не менее 10 м и после этого производят промывку излишков тампонажного раствора до полного выхода на устье остатков тампонажного раствора с интервала головы хвостовика с одновременным расхаживанием и вращением транспортировочной колонны труб, причем промывку головы хвостовика от излишков тампонажного раствора производят как прямым способом через трубное пространство транспортировочной колонны труб, так и обратным через затрубное пространство.
Технические задачи решаются устройством для цементирования хвостовика в скважине, содержащим корпус с верхней частью для присоединения устройства для цементирования хвостовика к транспортировочной колонне труб и нижней частью, включающей хвостовик, при этом верхняя часть корпуса присоединена к нижней части корпуса отцепным устройством, внутри нижней части корпуса на срезаемых винтах установлена подвесная цементировочная пробка в виде блока эластичных конических манжет с сердечником с центральным проходным каналом и посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку и посадочным конусом, выполненным на нижнем упорном кольце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца.
Новым является то, что отцепное устройство выполнено в виде как минимум двух срезных элементов толщиной, обеспечивающей возможность выдержки весовой нагрузки спускаемого в скважину хвостовика, а выше и ниже срезных элементов на равном расстоянии от них выполнены радиальные проточки, оснащенные герметизирующими манжетами, верхняя часть корпуса соединена с нижней частью корпуса с возможностью их синхронного вращения за счет взаимодействия наружных выступов верхней части корпуса с пазами, выполненными на торце нижней части корпуса, подвесная цементировочная пробка установлена в кольцевом сужении верхней части корпуса и зафиксирована относительно верхней части корпуса при помощи срезных винтов с возможностью их среза под действием давления и перемещения до стоп-кольца в нижней части хвостовика, для чего внутренний диаметр поверхности нижней части корпуса, контактирующей с подвесной цементировочной пробкой, равен внутреннему диаметру спускаемого в скважину хвостовика.
На фиг. 1 изображено отцепное устройство в собранном виде перед спуском в скважину.
На фиг. 2, 3, 4 изображен порядок работы отцепного устройства и элементы конструкции устройства, остающиеся в скважине после проведения всех операций по цементированию и отсоединению транспортирующих труб.
Способ цементирования хвостовика в скважине осуществляют следующим образом.
По предлагаемому способу цементирования присоединяют верхнюю часть 1 (фиг. 1) корпуса устройства для цементирования хвостовика к нижнему концу транспортировочной колонны труб (на фиг. 1-4 не показана), а к нижней части 2 (фиг. 1) корпуса устройства присоединяют хвостовик 3. Верхняя 1 и нижняя 2 части корпуса в свою очередь соединены между собой отцепным устройством (позволяющим фиксировать верхнюю часть 1 и нижнюю часть 2 корпуса устройства для цементирования хвостовика, разъединять их при необходимости), которое выполняют в виде как минимум двух срезных элементов 4 толщиной, обеспечивающей возможность выдержки весовой нагрузки спускаемого в скважину хвостовика 3. Выше и ниже срезных элементов 4 на равном расстоянии от них выполняют радиальные проточки 5, а радиальные проточки 5 оснащают герметизирующими манжетами 6. Верхняя часть 1 корпуса  соединена с нижней частью 2 корпуса с возможностью синхронного вращения за счет взаимодействия наружных выступов 7 верхней части 1 корпуса  с пазами 8, выполненными на торце нижней части 2 корпуса, который соединен с хвостовиком 3,  за счет которых вращать хвостовик 3 можно как во время спуска в скважину для преодоления сопротивления остатков шлама независимо от длины, сложности и направления ствола, так и во время цементирования – для лучшего замещения тампонажным раствором бурового раствора в затрубном пространстве.
Далее спускают в скважину хвостовик 3 на заданную глубину, закачивают в транспортировочную колонну труб расчетный объем тампонажного раствора, пускают с устья скважины вслед за последней порцией тампонажного раствора продавочную пробку 9 (фиг. 2) и осуществляют продавку ее продавочной жидкостью до фиксации в посадочном седле 10 (фиг. 1) сердечника 11 (фиг. 2, 3) блока конических манжет 12 (фиг. 1). По достижении продавочной пробки 9 (фиг. 2, 3, вместо продавочной пробки может быть использован шар, который выполнен с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора, чтобы он не всплывал и не опережал движение тампонажного раствора) подвесной цементировочной пробки (на фиг.1 показана условно), установленной в кольцевом сужении (на фиг.1 показано условно) верхней части 1 (фиг. 1) корпуса и зафиксированной при помощи срезаемых винтов 13, она попадает в центральный проходной канал 14 и садится в посадочное седло 10 сердечника 11 (фиг. 2). Создают избыточное давление с дальнейшим срезом срезаемых винтов 13 (фиг. 1) и перемещением подвесной цементировочной пробки в компоновке с блоком конических манжет 12 под действием повышенного давления вниз до стоп-кольца 15 (фиг. 3, 4, получения сигнала «СТОП») и получения сигнала о завершении процесса цементирования.
После получения сигнала о завершении процесса цементирования сначала производят отсоединение транспортировочной колонны труб посредством разгрузки хвостовика 3 (фиг. 1) на забой на вес, превышающий вес хвостовика 3 не менее чем на 150 %. Затем транспортировочную колонну труб приподнимают на высоту не менее 10 м (на практике транспортировочную колонну труб приподнимают на высоту 10 м, 75 м, 100 м и т.д.) и после этого производят промывку излишков тампонажного раствора до полного выхода на устье остатков тампонажного раствора с интервала головы хвостовика 3 с одновременным расхаживанием и вращением транспортировочной колонны труб, причем промывку головы хвостовика 3 от излишков тампонажного раствора производят как прямым способом через трубное пространство транспортировочной колонны труб, так и обратным через затрубное пространство.
Предлагаемый способ повышает эффективность цементирования хвостовика за счет повышения качества цементной крепи, позволяет производить спуск и цементирование хвостовика в скважине с вращением для более качественного замещения цементного раствора в затрубном пространстве и гарантированного отсоединения колонны труб от хвостовика независимо от его длины и в любом интервале скважины с любой сложностью и направлением ствола, а также промывкой, а также быстро и гарантированно произвести отцеп транспортировочной колонны от хвостовика, и произвести промывку остатков цемента с головы хвостовика при этом приподняв транспортировочную колонну на любую необходимую  высоту, как прямым способом через трубное пространство транспортировочной колонны, так и обратным через затрубное пространство, при этом одновременно расхаживая и вращая транспортировочную колонну на любую высоту.
Устройство для цементирования хвостовика содержит корпус с верхней частью 1 (фиг. 1) для присоединения устройства для цементирования хвостовика к транспортировочной колонне труб и нижней частью 2 корпуса, включающей хвостовик 3. При этом верхняя часть 1 корпуса присоединена к нижней части 2 корпуса отцепным устройством, выполненным в виде как минимум двух срезных элементов 4 толщиной, обеспечивающей возможность выдержки весовой нагрузки спускаемого в скважину хвостовика 3. Так, например, для спуска хвостовика размером 114х7,4 мм, весом 2 т на отцепном устройстве необходимо установить 2 срезных элемента 4 из латуни диаметром 7 мм (расчеты проведены на срез по пределу прочности материала по справочнику конструктора-машиностроителя Анурьева В.И.). Соответственно при большем весе хвостовика можно устанавливать три, четыре и т.д. (не менее 2-х) срезных элементов 4 толщиной не менее 7 мм.
Причем выше и ниже срезных элементов 4 на равном расстоянии от них выполнены радиальные проточки 5, которые оснащены герметизирующими манжетами 6. Внутри нижней части 2 корпуса на срезаемых винтах 13 установлена подвесная цементировочная пробка  в виде блока эластичных конических манжет 12 с сердечником 11 с центральным проходным каналом 14 и посадочным седлом 10 под сбрасываемую с устья скважины продавочную пробку 9 (фиг. 2) и посадочным конусом 16 (фиг. 1), выполненным на нижнем упорном конце блока конических манжет 12 с сердечником 11, для посадки в посадочное седло стоп-кольца 15 (фиг. 2).  При этом на верхнем торце нижней части 2 (фиг. 1) корпуса выполнены пазы 8 под наружные выступы 7, выполненные на поверхности верхней части 1 корпуса устройства.
Предлагаемое устройство для цементирования хвостовика в скважине работает следующим образом.
Хвостовик 3 с установленным стандартным башмаком (на фиг. 1-4 не показан) и стоп-кольцом 15 (фиг. 2) через верхнюю часть 1 (фиг. 1) корпуса устройства для цементирования хвостовика присоединяют к нижнему концу транспортировочной колонны труб и спускают в скважину на заданную глубину.
Далее производят закачку расчетного объема тампонажного раствора, и продавливают его с помощью продавочной пробки 9. По достижении продавочной пробки 9 (фиг. 2) сердечника 11 подвесной цементировочной пробки, установленной в кольцевом сужении верхней части 1 (фиг. 1) корпуса и зафиксированной при помощи срезаемых винтов 13, она попадает в центральный проходной канал 14 и садится в посадочное седло 10 сердечника 11 (фиг.2). Затем при дальнейшем увеличении гидравлического давления происходит срез винтов 13 (фиг. 1) и подвесная цементировочная пробка в компоновке с блоком конических манжет 12 под действием повышенного давления с продавочной пробкой 9 (фиг. 3, 4) начинает перемещаться вниз до посадки в стоп-кольцо 15 и получения сигнала о завершении процесса цементирования.
Предлагаемое устройство для цементирования хвостовика является надежным, мало модульным и простым в применении, позволяет обеспечить беспрепятственную доставку хвостовика в скважину. Предлагаемые способ и устройство позволяют повысить эффективность цементирования хвостовика за счет совмещения операций цементирования и вращения обсадного хвостовика, гарантированного отсоединения колонны труб от хвостовика независимо от его длины и в любом интервале скважины с любой сложностью и направлением ствола.