СПОСОБ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ОБСАДНЫХ ТРУБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CASING PIPE SEALING AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к способам герметизации обсадных колонн в нефтяной и газовой промышленности.
Известен способ восстановления герметичности обсадных колонн скважин [1], заключающийся в установке профильного перекрытия посредством взрыва, причем перекрыватель перед взрывом выпрямляют путем создания в нем гидравлического давления.
Недостатком этого метода является то, что для создания достаточного давления взрыва, при котором профильный перекрыватель обеспечил бы герметичность обсадной колонны (ОК), требуется большая мощность взрывчатого вещества. А это может вызвать газонефтепроявление в скважине или повреждение колонны.
Известно устройство для ремонта ОК [2], содержащее спускаемый на кабеле корпус, на котором закрепляется металлический пластырь и взрывчатое вещество, при взрыве которого пластырь, под действием давления взрыва, прижимается к стенке ОК, закрывая канал негерметичности. В этом устройстве используется способ ликвидации негерметичности с помощью пластыря.
Недостатком этого метода является то, что при достаточно большой мощности взрыва, что необходимо для прижатия пластыря к стенке трубы ОК, возможно проявление или повреждение трубы.
Наиболее близким к предлагаемому является способ заканчивания строительства скважины [3], включающий спуск на колонне труб в предварительно расширенный интервал продуктивного пласта непроницаемой оболочки в виде свернутого в рулон металлического листа и установку его с возможностью плотного прилегания к стенкам скважины по всему периметру за счет установленных предварительно пластинчатых пружин на равных расстояниях друг от друга, начиная от крайних участков металлического листа.
Недостатком этого способа герметизации является следующее. При использовании пластинчатых пружин усилия от них будут действовать только на часть поверхности металлического листа, а не на всю поверхность. Следовательно, где усилие со стороны пружины имеется, там будет наблюдаться плотное прилегание, а где нет - неплотное, что не будет обеспечивать герметичность (устранение негерметичности) ОК.
Задачей изобретения является устранение недостатков, указанных в отмеченных выше способах, в том числе и в прототипе.
Технической задачей является разработка способа, обеспечивающего надежную герметизацию обсадной колонны при устранении ее негерметичности как в резьбовых соединениях, так и при сквозных отверстиях.
Известно [4], что негерметичность резьбовых соединений колонн труб является причиной пропуска газа (газопроявление) в 80% случаев, что приводит к большим потерям газа и является опасным явлением.
Поставленная задача решается описываемым способом, включающим спуск, внутрь обсадной колонны к месту расположения негерметичности, непроницаемой оболочки в виде свернутого в рулон металлического листа-накладки и установку его с возможностью плотного прилегания к внутренней стенке по всему периметру, причем металлический лист - накладка прямоугольной формы, толщиной 2-3 мм и более, изготавливается из сплава с памятью, например нитинола [5], свертывается в рулон в криостате с температурой минус 80° С и ниже, помещается в эластичный трубчатый рукав длиной не менее высоты накладки и располагается в устройстве, в котором поддерживается температура ниже температуры возврата материала накладки к первоначальной форме, например с помощью сухого льда, затем устройство с накладкой опускают к месту негерметичности колонны, освобождают накладку от корпуса устройства, после чего она нагревается от жидкости в скважине, при этом начинает проявляться термоупругость и накладка стремится вернуться к своему первоначальному плоскому состоянию, чему мешают трубы обсадной колонны, и прижимается к их внутренней поверхности через эластичную прокладку, что обеспечивает хорошую герметичность по всему периметру этой поверхности.
Заявляемый способ реализуется в устройстве, включающем корпус цилиндрической формы с закрытым верхним торцом плоской накладкой, в центре которой выполнено отверстие и вварена в него короткая труба с резьбой на свободном конце, для присоединения к колонне труб перед спуском, а нижний торец корпуса закрывается круглым дном с шариковыми замками в их боковой поверхности для удержания дна в соединении с корпусом, и на внутренней поверхности дна установлен нижний узел крепления троса, другой конец которого закреплен на верхнем узле, расположенном у нижнего торца короткой трубы, причем длина троса должна быть не менее двух высот накладки; внутренняя поверхность корпуса и дна покрыта слоем из теплоизоляционного материала, чтобы за время спуска накладка не успела нагреться; между внутренними объемами короткой трубы и корпуса имеется связь в виде отверстий для протекания по ним жидкости под давлением, а рулон из накладки помещается внутрь корпуса, который при этом переворачивается, свободные объемы в корпусе заполняются сухим льдом, после чего устанавливается дно и корпус переворачивается обратно.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Использование для накладки материала с памятью.
2. Прижатие накладки к стенке обсадной колонны с помощью термоупругих сил.
3. Поддержание минусовой температуры накладки при спуске ее к месту негерметичности с использованием сухого льда.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
1. Расположение креостата, где располагается накладка при спуске ее к месту негерметичности обсадной колонны, внутри корпуса устройства.
2. Выполнение устройства разделяемым, когда дно, на котором размещается накладка, свернутая в рулон, отделяется от корпуса, но удерживается от него на расстоянии, равном длине троса.
3. Использование шариковых замков для удержания дна в соединении с корпусом.
4. Покрытие внутренней полости корпуса слоем теплоизоляционного материала.
5. Связи между известными и новыми элементами устройства.
Сравнение заявленных технических решений с прототипом позволяет установить соответствие их критерию «новизна». При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены, и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию «существенные отличия».
Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивают достижение технического результата изобретения, а именно: надежная герметизация обсадной колонны в месте ее разгерметизации.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен продольный осевой разрез устройства в сборе при нахождении в нем накладки, свернутой в рулон и обсыпанной сухим льдом. На фиг.2 изображено поперечное сечение устройства в сборе перед спуском, вид А-А, а также форма сечения накладки, когда она находится в виде плоского листа, вид «а» и когда она преобразуется в форму кольца, вид «б», на месте герметизации внутри обсадной колонны. На фиг.3 изображено положение накладки в месте герметизации обсадной колонны и продольный разрез устройства в рассоединенном положении.
Устройство для герметизации включает в себя корпус 1, фиг.1, цилиндрической формы, который на верхнем торце закрыт пластиной,   имеющей в центре сквозное отверстие. В это отверстие вваривается сварочным круговым швом 3 короткий патрубок 4, имеющий на другом конце резьбу, с помощью которой он вворачивается в колонну спускаемых труб 5, например в колонну насосно-компрессорных труб. С нижнего торца корпус закрывается дном 13 и удерживается в этом положении шариковыми замками 12. Вся внутренняя поверхность корпуса и дна покрыта теплоизолирующим слоем 2 и 11 для того, чтобы тепло от трубной жидкости внутри обсадной колонны как можно медленнее передавалось внутрь корпуса устройства. Внутри рулона накладки протягивается трос 8, который одним концом крепится к верхнему узлу крепления 6, располагаемого у нижнего торца патрубка 4, внутри его. А второй конец троса закрепляется на нижнем узле крепления 10. Но длина троса должна быть не менее двух высот устройства с некоторым зазором Н (см. фиг.3). Поэтому когда устройство собрано (дно соединено с корпусом),то трос не натянут, а свободно размещается внутри корпуса. Снизу дна подвешивается добавочный груз 14, для обеспечения более быстрого движения дна вниз в скважине, когда это необходимо. Накладка 17, см. фиг.1, 2, помещается в эластичную цилиндрическую герметизирующую прокладку 7. Свободный объем внутри корпуса, после размещения там рулона прокладки, засыпается сухим льдом (твердым углекислым газом) 16. На фиг.1 показана пробоина 9 в обсадной колонне 15, которая и является ее негерметичностью. Полость патрубка 4 соединена с внутренней полостью корпуса отверстиями.
Устройство работает следующим образом. Предварительно обследуется скважина, и определяется вид негерметичности (по резьбе или сквозная пробоина и т.п.) и место ее расположения по глубине внутри обсадной колонны 15. После этого раскраивается накладка в виде прямоугольного листа толщиной 2-3 мм из сплава с памятью, в частности из нитинола. Его высота должна надежно перекрывать площадь негерметичности, например быть больше высоты площади негерметичности в три раза. Но ширина листа должна быть равна (желательно) или минимально меньше периметра окружности по внутреннему диаметру обсадной колонны в месте ее негерметичности. Это необходимо для того, чтобы зазор «с» между кромками накладки, см. фиг.2, вид «б», был минимальным (лучше, если он будет равен нулю) для обеспечения более высокой степени герметичности и ее долговечности. Также заготавливается герметизирующая прокладка 7 в виде рукава из эластичного материала, например резины. Диаметр рукава должен быть меньше внутреннего диаметра труб обсадной колонны, а его длина равна высоте накладки. После этого раскроенный лист накладки помещают в криокамеру с температурой не выше -80°С. Эта температура (чуть больше) температуры, которую обеспечивает сухой лед (- 78,2°С [6]), как один из простых и доступных средств поддержания минусовой температуры накладки при спуске до момента ее установки на место негерметичности. Эту температуру выносит человек, если ему заходить в соответствующей одежде в криокамеру (в Антарктиде, где работали наши полярники, была зафиксирована температура ниже -89°С). В криокамере, используя специальные приспособления, приготовленный лист сворачивается в рулон так, чтобы высота рулона была равна высоте накладки. При этом диаметр рулона должен быть меньше внутреннего диаметра корпуса устройства, с учетом толщины герметизирующей накладки. После этого рулон опускается внутрь рукава прокладки. Затем рулон накладки помещается в устройство. Для этого устройство переворачивается коротким патрубком 4 вниз, а своей широкой цилиндрической частью корпуса 1 - вверх. Отделяется дно 13 от корпуса, трос 8 отделяется от дна и протягивается через центр рулона вдоль его оси, и закрепляется снова на дне на узле крепления 10 (второй конец троса закреплен у торца патрубка на узле крепления 6). Далее рулон опускается внутрь корпуса 1 устройства, свободные объемы засыпаются сухим льдом 16 и закрываются дном с шариковыми замками 12 (для этого используется специальное устройство),как крышкой. После этого устройство переворачивается обратно, дно оказывается внизу и удерживается в этом положении шариковыми замками, а патрубок оказывается вверху. Затем к предварительно подготовленной спускаемой колонне труб, а лучше к колтюбинговой трубе, ее торцу 5, присоединяется устройство, предварительно извлеченное из криокамеры, и начинается спуск устройства внутри обсадной колонны к месту негерметичности. Спуск прекращается, когда устройство окажется выше места негерметичности (в нашем случае - пробоины 9) на длину троса, которая известна. Затем подается по спускаемой трубе жидкость под высоким давлением. Это давление поступает из патрубка 4 внутрь корпуса устройства 1 и под его действием шарики замков 12, преодолевая усилия пружин, утапливаются, дно 13 отделяется от корпуса 1. Так как рулон накладки 17 своим торцом стоит на дне 13, то он вместе с последним начинает перемещаться вниз. При этом распускается трос 8, и когда он будет полностью выбран, то спуск прекратится. Расстояние «Н» между корпусом и верхним торцом накладки, см. фиг.3, выбирается минимальным. Но рулон при этом установится напротив негерметичного участка обсадной колонны (у нас напротив отверстия 9). Т.к. внутри рукава остается основная масса сухого льда 16, то накладка быстро не прогреется. Затем в течение какого-то времени от трубной жидкости прокладка прогреется до плюсовой температуры (примерно 20°С) и рулон прокладки начнет возвращаться к первоначальной форме (плоскому листу). Но этому мешает обсадная труба. Однако силы термоупругости заставят ее (накладку) прижаться к внутренней поверхности обсадной колонны 15. Эластичная прокладка 7 будет растягиваться и прижиматься этими силами к внутренней поверхности обсадной колонны. Т.е. между поверхностью обсадной колонны 15 и накладкой 17 будет находиться герметизирующая прокладка 7, обеспечивая хорошую герметичность. Накладка же, находясь постоянно под действием сил термоупругости, т.к. ей не дали возможности распрямиться до конца, будет прижата к стенке обсадной колонны, обеспечивая герметичность в течение всего времени эксплуатации скважины. После этого устройство поднимается на дневную поверхность (диаметр дна с выпущенными шариками замка меньше внутреннего диаметра накладки).
Использование предлагаемого изобретения позволяет надежно и на продолжительное время герметизировать негерметизированные участки обсадных колонн.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №827750, «Способ восстановления герметичности обсадных колонн скважины». Опубл. 07.05.1981 г.
2. Авторское свидетельство СССР №899848, «Устройство для ремонта обсадных колонн». Опубл. 23.01.1982 г.
3. Патент РФ №2224873, «Способ заканчивания строительства скважины». Опубл. 27.02.2004 г.
4. Карабанов В.В., Бохоров И.О. Решение проблемы герметичности и надежности обсадных колонн (в порядке обсуждения). Статья в Ж. «Нефтяное хозяйство», №1, 2012. - С.42-45.
5. Бурковский В.Л. и др. Физические явления и эффекты в технических системах. Учебное пособие. -Воронеж.:ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет». -С.17.
6. Ходаков Ю.В. Общая и неорганическая химия. Пособие для учителей. -М.: Просвещение,1965. -С.534.