УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСТАНОВКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ ХВОСТОВИКА ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ В СКВАЖИНЕ
DEVICE FOR INSTALLATION AND SEALING OF CASING STRING LINER IN WELL

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, в частности к устройствам, предназначенным для крепления вертикальных и наклонно-направленных стволов скважин хвостовиками обсадных колонн и герметизации заколонного пространства хвостовиков.
Известно устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, содержащее полый корпус, размещенные на нем узел механического разъединения, обеспечивающий спуск хвостовика в скважину и последующее отсоединение от него транспортировочной колонны, узел якоря, обеспечивающий подвеску хвостовика в колонне скважины, и узел пакера, обеспечивающий герметизацию межтрубного пространства. Узел якоря установлен на размещенном на корпусе цилиндре, в нижней части которого выполнен фигурный паз со штифтом, жестко соединенным с корпусом (RU 2377391 C1, МПК(2006.01) E21B 33/14, оп. 27.12.2009).
Недостатком известного устройства является то, что все его узлы приводятся в действие механическим путем: или подъемом транспортировочной колонны, связанной с узлом разъединения, или ее поворотом, а фигурный паз со штифтом служит для ограничения движения этой колонны. Такое выполнение устройства обусловливает его низкую надежность, большую вероятность поломок и может привести к аварийным ситуациям.
Наиболее близким аналогом заявляемого устройства, выбранным в качестве прототипа, является устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, содержащее полый корпус в виде собственно хвостовика, установленные на нем узлы механического разъединения, якоря, пакера и подвесную полую цементировочную пробку, предназначенную для продавливания цементного раствора в затрубное пространство хвостовика. При этом узел разъединения выполнен в виде воронки в верхней части хвостовика, которая левой трапецеидальной резьбой соединена с установочной втулкой транспортировочной колонны и которая выполнена с возможностью осевого перемещения. В корпусе выполнен срезной элемент в виде полого штифта, при срезе которого подвесной пробкой образуется радиальное отверстие, гидравлически связывающее полость корпуса с полостью, образованной полезной поверхностью поршня узла якоря (RU 2346143 C2, МПК (2006.01) E21B 33/14, оп. 27.09.2008).
Недостатком известного устройства является ненадежность его работы обусловленная следующими причинами:
- разъединение транспортировочной колонны с устройством осуществляют механически путем вращения колонны вправо по трапецеидальной резьбе, при этом вследствие того, что такое вращение осуществляют под нагрузкой, велика вероятность закусывания трапецеидальной резьбы на последней нитке, что может привести к поломке устройства;
- по этой же причине возможна поломка при механическом приведении в действие пакера, когда вращением вправо транспортировочной колонны перемещают вниз воронку вместе с поршнем уплотнительных элементов для герметизации межтрубного пространства;
В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, в котором путем конструктивных изменений известных узлов и введения новых обеспечивается гидравлическое приведение в действие всех основных узлов устройства при возможности регулирования цикла подачи и величины давления рабочей жидкости, что приводит к повышению надежности работы устройства.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине, содержащем полый корпус, размещенные на нем узел якоря, узел пакера, узел разъединения, включающий воронку, и подвесную пробку, выполненное в корпусе по меньшей мере одно радиальное отверстие, в рабочем положении гидравлически связывающее полость корпуса с полостью, образованной полезной поверхностью поршня узла якоря, новым является то, что на корпусе размещен клапанный узел, включающий поршень с размещенным внутри подпружиненным переключателем в виде втулки с фигурным пазом по ее образующей, в котором установлен жестко закрепленный на корпусе штифт, при этом переключатель выполнен с возможностью перемещения с поворотом относительно штифта в соответствии с конфигурацией паза, в корпусе выполнено по меньшей мере одно перекрытое подвесной пробкой радиальное отверстие, в рабочем положении гидравлически связывающее полость корпуса с полостью, образованной полезной поверхностью поршня клапанного узла, воздействующего на переключатель и подпружиненное кольцо, которое перекрывает выполненное в корпусе по меньшей мере одно радиальное отверстие предпочтительно в виде циркуляционного окна, в рабочем положении гидравлически связывающее полость корпуса с полостями, образованными полезными поверхностями поршня узла пакера и поршня узла разъединения, который поджимает упоры, установленные в воронке узла разъединения.
Кроме того, фигурный паз может иметь конфигурацию, позволяющую переключателю занимать шесть положений: «закрыто», «взвод», «подготовка», «взвод», «открыто», «рабочее положение».
На корпусе может быть размещен узел механического разъединения, содержащий нижнюю часть воронки узла разъединения, левой резьбой свернутую со второй направляющей воронкой.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Размещение на корпусе клапанного узла, включающего поршень с размещенным внутри подпружиненным переключателем в виде втулки с фигурным пазом по ее образующей, в котором установлен жестко закрепленный на корпусе штифт, при этом выполнение переключателя с возможностью перемещения с поворотом относительно штифта в соответствии с конфигурацией паза, позволяет путем фиксации штифта в разных проточках паза постепенно перевести устройство из закрытого транспортного положения в открытое рабочее при контролируемом повышении давления рабочей жидкости до заданной величины, необходимой для проведения технологических операций (якорения, пакеровки, разъединения) при гидравлическом приведении в действие всех исполнительных узлов. При этом исключается воздействие на исполнительные узлы устройства непредвиденных изменений, скачков давления, а гидравлический привод исключает механическое воздействие, в результате чего повышается надежность работы заявляемого устройства.
Выполнение в корпусе по меньшей мере одного перекрытого подвесной пробкой радиального отверстия, в рабочем положении гидравлически связывающего полость корпуса с полостью, образованной полезной поверхностью поршня клапанного узла, воздействующего на переключатель, обеспечивает воздействие избыточного давления рабочей жидкости на поршень и, соответственно, переключатель, что обусловливает гидравлическое приведение в действие клапанного узла, а это также повышает надежность устройства.
Выполнение в корпусе перекрытого подпружиненным кольцом по меньшей мере одного радиального отверстия предпочтительно в виде циркуляционного окна, в рабочем положении гидравлически связывающего полость корпуса с полостями, образованными полезными поверхностями поршня узла пакера и поршня узла разъединения, также обеспечивает воздействие избыточного давления рабочей жидкости на поршни указанных узлов и их гидравлический привод.
Установление в воронке узла разъединения упоров, поджимаемых поршнем, на который воздействует избыточное давление рабочей жидкости и который при заданном давлении освобождает упоры, обеспечивает возможность гидравлического разъединения транспортировочной колонны и хвостовика, что также повышает надежность работы.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1-3 изображен продольный разрез устройства для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине в транспортном положении.
Устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине в наилучшем варианте своего исполнения, который, однако, не является единственно возможным (фиг.1-3), содержит полый корпус 1, размещенные на нем клапанный узел и узел гидравлического разъединения. На корпусе 1 может быть размещен узел механического разъединения, обеспечивающий разъединение транспортировочной колонны (на чертежах не показана) от устройства в случае возникновения нештатных ситуаций, препятствующих гидравлическому разъединению. В нижней части корпуса 1 закреплено седло 2, на котором с помощью (по крайней мере одного) срезного винта 3 установлена подвесная пробка 4, перекрывающая выполненные в корпусе 1 радиальные отверстия 5.
Корпус 1 посредством седла 2 и муфты 6 соединен с полым корпусом 7, на котором размещены узлы якоря и пакера.
Клапанный узел содержит расположенный в седле 2 поршень 8, внутри которого установлен переключатель 9 в виде втулки с фигурным пазом 10 по ее образующей, в котором установлен жестко закрепленный на корпусе 1 штифт 11. Переключатель 9 выполнен с возможностью перемещения с поворотом относительно штифта 11 в соответствии с конфигурацией паза 10, обеспечивая открытие клапанного узла в заданное время. Радиальные отверстия 5 в рабочем положении гидравлически связывают внутреннюю полость корпуса 1 с полостью, образованной полезной поверхностью поршня 8 клапанного узла, обеспечивающего прямой ход переключателя 9. Обратный ход переключатель 9 выполняет под действием пружины 12. Фигурный паз 10 может иметь конфигурацию, позволяющую переключателю 9 занимать шесть положений: «закрыто» I, «взвод» II, «подготовка» III, «взвод» IV, «открыто» V, «рабочее положение» VI.
В корпусе 1 выполнены радиальные циркуляционные окна 13, перекрытые кольцом 14, закрепленным на корпусе 1 срезным винтом 15 и контактирующим с пружиной 12. Окна 13 в рабочем положении гидравлически связывают полость корпуса 1 с полостями, образованными полезными поверхностями поршней узлов пакера и якоря и поршня узла разъединения.
Узел якоря содержит закрепленную на корпусе 7 втулку 16, имеющую продольные пазы с закрепленными в них пружинными планками 17, на концах которых установлены шлипсы 18, взаимодействующие со втулкой 19 с конической поверхностью.
Узел гидромеханического пакера размещен на общем с узлом якоря корпусе 7 и содержит втулку 20, две уплотнительные манжеты 21, 22, между которыми установлен гладкий центратор 23 с двумя коническими заходными поверхностями. Центратор 23 зафиксирован срезным винтом 24 на корпусе 7.
Узлы якоря и пакера приводятся в действие последовательно установленными поршнями 25 и 26, которые воздействуют на гильзу 27, втулку 20 и гильзу 28, причем две последние соединены между собой срезным винтом 29. Возвратное движение поршней 25 и 26 пресекается пружинным фиксатором 30, а на время транспортировки указанные поршни дополнительно фиксируются болтами 31. Поршень 25 с помощью срезного винта 32 закреплен на закрывающем клапанный узел корпусе 33.
Узел гидравлического разъединения содержит воронку 35, внутри которой размещены упорные элементы 36, жестко связывающие ее с извлекаемой частью устройства - соединенным с транспортировочной колонной верхним переводником 37, поршнем 38, поджимающим упоры 36, втулкой 39, в пазах которой размещены упоры 36, корпусом 1 и седлом 2. Поршень 38 закреплен от перемещения относительно верхнего переводника 37 срезным винтом 40 и при перемещении фиксируется пробкой 41. На время транспортировки поршень 38 дополнительно фиксируется болтами 42. Втулка 39 закреплена на переводнике 37, и в нее ввернут корпус 1. На верхний конец втулки 39 навернута муфта 43 с замковой резьбой.
Узел механического разъединения представляет собой нижнюю часть воронки 35, на которой нарезана левая резьба. Эта воронка свернута со второй направляющей воронкой 44. От самопроизвольного отворота это соединение предохраняет стопорное кольцо 45, зафиксированное при помощи стопорного винта 46. Перед спуском устройства в скважину винты 46 необходимо демонтировать, в этом случае кольцо 45 получает свободу перемещения и не препятствует отвороту воронок 35 и 44 по левой резьбе.
Устройство для установки и герметизации хвостовика обсадной колонны в скважине работает следующим образом.
После спуска устройства до заданной глубины производят цементирование, включающее закачку буровой жидкости и цементного раствора, пуск верхней продавочной пробки (на чертежах не показана), которая продавливает цементный раствор, и ее герметичную стыковку с подвесной пробкой 4. При повышении давления происходит дальнейшее совместное движение верхней продавочной пробки и подвесной пробки 4, после чего обе пробки до герметичной фиксации в стоп-патрубке (на чертежах не показан).
При срезе винта 3 открываются отверстия 5 и продавочная жидкость из полости корпуса 1 поступает к поршню 8, воздействуя на его полезную площадь. При достижении определенного давления жидкости происходит перемещение поршня 8, сжатие пружины 12 и переход переключателя 9 из положения «закрыто» I в положение «взвод» II путем его осевого перемещения с проворачиванием вокруг штифта 11. После сигнала «стоп» происходит сброс давления в трубном пространстве. За счет разжатия пружины 12 происходит переход переключателя 9 в положение «подготовка» III. При последующем повышении давления происходит последующий перевод переключателя 9 в положение «взвод» IV через поршень 8. Следующим сбросом давления переключатель 9 переходит в положение «открыто» V. При дальнейшем подъеме давления срезается винт 15, перемещается кольцо 14, открывая окна 13, через которые продавочная жидкость поступает к узлам якоря, пакера и разъединения, а переключатель 9 заходит в длинный паз в «рабочее положение» VI.
Избыточное давление продавочной жидкости, воздействуя на полезную площадь поршней 25, 26 и превышая расчетное усилие срезного винта 32, перемещает поршни, а также гильзу 27, втулку 20 и гильзу 28 в осевом направлении, приводя в движение коническую втулку 19, которая перемещает шлипсы 18 в радиальном направлении. Происходит якорение устройства. При дальнейшем повышении давления срезается винт 29 и втулка 20 движется в осевом направлении, в результате чего манжеты 21 и 22 наталкиваются на коническую поверхность центратора 23 и происходит пакеровка. После этого избыточное давление заданной величины продавочной жидкости воздействует на полезную поверхность поршня 38, вследствие чего происходит его перемещение в осевом направлении, срез винта 40 и выход упоров 36 из пазов втулки 39. При этом освобождается извлекаемая часть устройства, после чего разъединяют транспортировочную колонну и хвостовик (на чертежах не показан).
В случае несрабатывания узла гидравлического разъединения транспортировочную колонну поворачивают вправо на 12-15 оборотов. При этом воронка 35 с левой резьбой выходит из герметического соединения с воронкой 44 и приводит к отсоединению извлекаемой части устройства.
После разъединения производят срезку цементного раствора прямой промывкой с головы хвостовика и вымывание цементного раствора из скважины.
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает гидравлический привод всех узлов, возможность контролированного изменения цикла подачи и величины давления, что повышает его надежность.