УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕФЕКТНЫХ УЧАСТКОВ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН НЕФТЕГАЗОВЫХ СКВАЖИН С УПРАВЛЯЕМЫМ КОНУСОМ-ТРАНСФОРМЕРОМ
DEVICE FOR RESTORATION OF DEFECTIVE SECTIONS OF PRODUCTION STRINGS OF OIL AND GAS WELLS WITH CONTROLLED CONE-TRANSFORMER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, преимущественно к устройствам для герметизации обсадных колонн и отключения пластов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство для ремонта обсадной колонны по авторскому свидетельству SU 1659621 А1, МПК Е21В 29/10, опубл. 30.06.1991, бюл. №24. Устройство спускается в скважину на геофизическом кабеле и включает размещенные в корпусе электродвигатель с редуктором, плунжерный гидравлический насос, систему клапанов управления, дифференциальный поршень, а также расположенные снаружи дорнирующий конус с подпружиненными плавающими плашками и раскатывающую головку, кинематически связанную с валом электродвигателя. Дифференциальный поршень перемещает дорнирующий конус с подпружиненными плавающими плашками внутрь пластыря, производя его расширение, а раскатывающая головка своим вращением окончательно распрямляет и выглаживает стенки пластыря, прижимая его к эксплуатационной колонне.
Основным недостатком описанного устройства является сложность конструкции скважинного модуля, в котором смонтирована электрогидромеханическая приводная система с множеством прецизионных деталей и комплектующих изделий. Кроме того, метод раскатывания применим только для тонкостенных продольно-гофрированных пластырей, что ограничивает область применения описанного устройства. И, наконец, самый главный недостаток известного устройства - ограничение по длине пластыря, вытекающее из конструкции. Длина пластыря ограничена ходом поршня и длиной приводного вала раскатывающей головки. Таким образом, данное устройство неприменимо для герметизации протяженных дефектных участков эксплуатационных колонн.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения (прототипом) является трехступенчатая дорнирующая головка, раскрытая в описании к патенту RU 2154148 С2, кл. Е21В 29/10, опубл. 20.08.2000.
Известное из наиболее близкого аналога устройство содержит основной конус-пуансон, плавающие секторы, расположенные на самоуплотняющейся манжете, а также подпружиненные конусные плашки, установленные между конусом-пуансоном и плавающими секторами с возможностью продольного перемещения в пазах "ласточкин хвост", выполненных на конической части основного корпуса. При этом конусная часть корпуса направлена вершиной вверх, т.е. по ходу дорнирующей головки в процессе расширения пластыря. При заходе дорнирующей головки в пластырь его предварительное расширение осуществляется конусом-пуансоном, затем промежуточное - конусными плашками за счет их осевого и периферийного смещения в пазах, и окончательное - плавающими секторами под гидравлическим давлением в системе.
К недостаткам известного из наиболее близкого аналога устройства следует отнести его изначальную ориентированность на работу с продольно-гофрированными пластырями, что резко ограничивает сферу его применения. Тонкостенные гофрированные пластыри могут обеспечить герметизацию дефектных участков эксплуатационной колонны только при небольших пластовых давлениях флюида в скважине. Для ремонта скважин с большими пластовыми давлениями, достигающими иногда 100 и более атмосфер, требуется прижатие металлического пластыря к стенке колонны посредством эластичных уплотнительных колец, которые устанавливаются (например, могут быть привулканизированы) на наружной поверхности гладких цилиндрических пластырей. Только в этом случае достигается гарантированная отсечка дефектного участка эксплуатационной колонны. Кроме того, конструкция дорнирующей головки предполагает ее заход в пластырь с торца, а затем начало расширения, т.е. пластырь должен быть заякорен. Таким образом, в комплект оборудования должна дополнительно входить система якорения пластыря, что усложняет и удорожает процесс ремонта эксплуатационной колонны.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача заявляемого изобретения состоит в разработке устройства для восстановления дефектных участков эксплуатационных колонн нефтегазовых скважин с управляемым конусом-трансформером, а также повышение надежности работы и расширение сферы применяемости устройства в целом.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства за счет применения управляемого конуса-трансформера, у которого основной корпус зафиксирован на трубчатой тяге (мандрели) и снабжен деблокирующим механизмом, позволяющим в случае аварийной ситуации извлечь устройство из пластыря за счет уменьшения габаритов конуса-трансформера, используемого в качестве раздающей оправки. Указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном устройстве деблокирующий механизм выполнен в виде крестовины, в проушинах которой установлены с возможностью качания на осях подпружиненные собачки, упирающиеся торцами своих носовых частей в стенки поперечных углублений, чередующихся с продольными углублениями на наружной цилиндрической поверхности трубчатой тяги (мандрели). Вместе с тем, поперечный профиль дна каждого из поперечных и продольных углублений на поверхности указанной тяги имеет криволинейную вогнутую форму. Кроме того, каждая из собачек деблокирующего механизма имеет выпуклую подошвенную часть, кривизна которой в поперечном сечении аналогична кривизне вогнутости дна углублений на наружной поверхности трубчатой тяги.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Изобретение будет более понятным из описания, не имеющего ограничительного характера и приводимого со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
Фиг. 1 - продольный разрез устройства для восстановления дефектных участков эксплуатационных колонн нефтегазовых скважин с управляемым конусом-трансформером до начала процесса расширения пластыря:
1 - эксплуатационная колонна; 2 - пластырь; 3 - эластичное уплотнительное кольцо; 4 - расширяющая оправка (конус-трансформер); 5 - блок силовых армированных манжет; 6 - проставка; 7 - противовозвратный механизм; 8 - пружина; 9 - ограничительная втулка; 10 - трубчатая тяга (мандрель); 11 - разбуриваемый башмак с обратным клапаном; 12 - деблокирующий механизм.
Фиг. 2 - то же, в момент начала расширения пластыря:
13 - гидравлический посадочный узел.
Фиг. 3 - то же, в процессе дальнейшего расширения пластыря.
Фиг. 4 - вид А на фиг. 1 в масштабе увеличения:
16 - крестовина; 17 - собачка противовозвратного механизма; 18 - нажимной корпус; 19 - ось.
Фиг. 5 - вид Ж на фиг. 4 в масштабе увеличения.
Фиг. 6 - вид Б на фиг. 1 в масштабе увеличения:
14 - корпус конуса-трансформера; 15 - конусообразный сегмент; 20 - сбрасываемая пробка; 21 - собачка деблокирующего механизма; 23 - переводник.
Фиг. 7 - вид В на фиг. 4 в масштабе увеличения:
22 - пружина кручения.
Фиг. 8 - вид Г на фиг. 6 в масштабе увеличения.
Фиг. 9 - разрез Д-Д на фиг. 8.
Фиг. 10 - разрез Е-Е на фиг. 6 в масштабе увеличения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Устройство для восстановления дефектных участков эксплуатационных колонн нефтегазовых скважин с управляемым конусом-трансформером содержит пластырь (2) в виде тонкостенной гладкой трубы с наружными эластичными уплотнительными кольцами (3) на концах и расширяющую оправку (4) в виде конуса-трансформера, находящуюся внутри пластыря (2) и надетую на трубчатую тягу (мандрель) (10). С одной стороны расширяющая оправка (4) контактирует с деблокирующим механизмом (12), а с другой стороны - с проставкой (6), которая в свою очередь подпирается блоком силовых армированных манжет (5). Расширяющая оправка (4) представляет собой конус-трансформер, включающий корпус (14), в конической части которого выполнены продольные канавки типа ласточкина хвоста с размещенными в них с возможностью продольного перемещения конусообразными сегментами (15) (фиг. 6, фиг. 8, фиг. 10). Противовозвратный механизм (7) служит для предотвращения нежелательного осевого перемещения назад расширяющей оправки (4) после запуска процесса расширения пластыря (2) (фиг. 2, фиг. 4) и включает крестовину (16), в проушинах которой при помощи осей (19) установлены собачки (17), и нажимной корпус (18), прямоугольные прорези которого предназначены для беспрепятственного качания собачек (17) (фиг. 7). Последние при помощи пружин кручения (22) постоянно прижаты к наружной поверхности трубчатой тяги (мандрели) (10), на которой в области возможного перемещения крестовины (16) противовозвратного механизма (7) выполнены кольцевые насечки, в продольном сечении имеющие вид наклонных зубьев (фиг. 5). По сути противовозвратный механизм (7) представляет собой храповой механизм, в котором храповое колесо выродилось в рейку. Пружина (8) служит для силового замыкания деталей устройства, расположенных между заплечиком трубчатой тяги (мандрели) (10) и деблокирующим механизмом (12). Последний предназначен для обеспечения осевого перемещения корпуса (14) конуса-трансформера в аварийной ситуации, освобождая его от фиксированного положения, что позволяет расширяющей оправке (4) вернуться к исходным габаритам. Ограничительная втулка (9) предотвращает заневоливание и поломку пружины (8) при подъеме трубчатой тяги (мандрели) (10), которая связана переводником (23) с подъемником буровой установки (не показан) посредством тяг (не показаны), например, в виде колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Нижний торец пластыря (2) герметично заглушен разбуриваемым башмаком (11) с обратным клапаном (не показан). Разбуриваемый башмак (11) с обратным клапаном вместе с седлом (не показано) для сбрасываемой пробки (20) образует гидравлический посадочный узел (13), который служит для перенаправления нагнетаемой рабочей жидкости и создания давления, инициирующего начало движения блока силовых армированных манжет (5) и расширяющей оправки (4).
Устройство для восстановления дефектных участков эксплуатационных колонн нефтегазовых скважин с конусом-трансформером работает следующим образом.
Устройство спускают в скважину на тяге, например, на колонне НКТ, до тех пор, пока дефектный участок эксплуатационной колонны (1) не окажется в интервале между эластичными уплотнительными кольцами (3) пластыря (2). При этом последний в зависимости от характера и расположения дефектов эксплуатационной колонны (1) может быть удлинен путем составления из отдельных секций, например, при помощи низкопрофильных резьбовых соединений. Затем сверху сбрасывают пробку (20), которая садится в седло гидравлического посадочного узла (13), и начинают нагнетание рабочей жидкости. Последняя проникает в полость между наружной поверхности стенки трубчатой тяги (мандрели) (10) и внутренней поверхности стенки пластыря (2) (фиг. 2), вызывая осевое перемещение блока силовых армированных манжет (5), который выполняет роль поршня. При этом через проставку (6) блок манжет (5) давит на конусообразные сегменты (15), которые перемещаются вдоль пазов "ласточкин хвост" (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 10) корпуса (14) конуса-трансформера, одновременно совершая движение к периферии и воздействуя на стенки пластыря (2), тем самым плавно производя его предварительную раздачу (фиг. 2). Начало процесса раздачи пластыря (2) попутно производит его якорение в эксплуатационной колонне (1) за счет деформации ближайших эластичных уплотнительных колец (3) (фиг. 2). Блок силовых армированных манжет (5), распрямляясь в расширенной части пластыря (2), сохраняет контакт с его стенками и продолжает играть роль поршня. Противовозвратный механизм (7) под воздействием пружины (8) перемещается вслед за блоком манжет (5) до тех пор, пока собачки (17), установленные на осях (19) и прижимаемые пружинами кручения (22) к наружной поверхности трубчатой тяги (мандрели) (10) и скользящие по ней, не попадут в одну из кольцевых канавок, имеющих в продольном сечении вид прямоугольного треугольника, делая невозможным обратный ход подвижных деталей (фиг. 4, фиг. 5). Одновременно с этим проставка (6), пройдя под воздействием блока силовых манжет (5) расстояние рабочего хода, упирается своим торцом в торец корпуса (14) конуса-трансформера, зафиксированного на трубчатой тяге (мандрели) (10) собачками (21) деблокирующего механизма (12), которые носовыми частями упираются в стенки поперечных углублений, выполненных на цилиндрической наружной поверхности трубчатой тяги (мандрели) (10) (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 8). Таким образом, дальнейшее перемещение в пазах конусообразных сегментов (15) становится невозможными, что определяет нужный диаметр пластыря (2) после расширения (фиг. 2). Этот момент определяется по скачку давления нагнетаемой рабочей жидкости. Затем при помощи подъемника (не показан) и давления рабочей жидкости трубчатая тяга (мандрель) (10) начинает движение вверх (фиг. 3), производя основной процесс расширения пластыря (2) или его секционной сборки, который длится до тех пор, пока расширяющая оправка (конус-трансформер) (4) не пройдет всю его длину. Ограничительная втулка (9) упирается в нажимной корпус (18) противовозвратного устройства (7), разгружая пружину (8) и предохраняя ее от заневоливания и поломки (фиг. 3). В аварийной ситуации, например, при заклинивании расширяющей оправки (4), трубчатая тяга (мандрель) (10) при помощи колонны НКТ поворачивается на определенный угол, например, на 30 градусов, в любую сторону, при этом собачки (21) деблокирующего механизма (12) приподнимаются, преодолевая сопротивления пружин кручения (22), и перескакивают из поперечных углублений в продольные, освобождая корпус (14) конуса-трансформера для осевого перемещения вдоль трубчатой тяги (мандрели) (10) (фиг. 6, фиг. 8, фиг. 9). Устройство поднимают наверх, при этом за счет сил трения о стенки пластыря (2) в месте образовавшегося сужения конусообразные сегменты (15) выдавливаются к вершине корпуса (14) конуса-трансформера, т.е. от периферии к центру, при одновременном движении последнего вдоль трубчатой тяги (мандрели) (10). В результате расширяющая оправка (4) в виде конуса-трансформера возвращается к исходным габаритам, что позволяет извлечь устройство в случае возникновения аварийной ситуации.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить устройство для восстановления дефектных участков эксплуатационных колонн нефтегазовых скважин с управляемым конусом-трансформером, которое увеличивает надежность и эффективность работы. Устройство при этом имеет достаточно простую конструкцию, а технология работ с ним легко осуществима.
Изобретение было раскрыто выше со ссылкой на конкретный вариант его осуществления. Для специалистов могут быть очевидны и иные варианты осуществления изобретения, не меняющие его сущности, как она раскрыта в настоящем описании. Соответственно изобретение следует считать ограниченным по объему только нижеследующей формулой изобретения.