УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДВЕСКИ И ГЕРМЕТИЗАЦИИ ПОТАЙНОЙ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ
DEVICE FOR SUSPENSION AND SEALING BLIND CASING

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано при оснащении нефтяных и газовых скважин потайными обсадными колоннами при нарушении эксплуатационных колонн.
Известно устройство для подвески и герметизации потайной обсадной колонны (см. АС №1740630 М. кл. E21B 33/14; 33/12, опубл. 15.06.1992 г., бюл. №22).
Устройство состоит из корпуса с уплотнительными элементами и узла подвески, который выполнен в виде кожуха с конической расточкой в верхней части. Корпус с кожухом образует кольцевую полость, в которой размещен кольцевой поршень с упругими цанговыми консолями, на которых закреплены клиновидные плашки с насечкой, с внутренней конической поверхностью. Корпус в верхней части снабжен переводником и уплотнительным элементом, поджимаемым снизу конусообразной опорной втулкой, которая находится в зацеплении с корпусом через призматическую шпонку и связана с ним срезным элементом. К переводнику подсоединяется разъединитель, чтобы осуществить отсоединение бурильной колонны.
Работа устройства
На верхнюю трубу потайной обсадной колонны, или хвостовика, навинчивают предлагаемое устройство и соединяют через разъединитель, с составной разделительной пробкой, входящей в состав бурильной колонны.
Компоновка спускается в скважину на заданную глубину.
Закачивают с поверхности расчетный объем тампонажного раствора со спуском разделительной пробки. После продавливания тампонажного раствора с посадкой разделительной пробки на упорное кольцо, повышают давление под кольцевым поршнем, который, после среза штифта, перемещается в направлении к конусообразной опорной втулке.
Упругие цанговые консоли с клиновидными плашками смещаются вверх, взаимодействуют с конусом опорной втулки и распираются до контакта со стенкой обсадной колонны.
Одновременно с этим колонну труб подают вниз и обеспечивают подвеску потайной колонны на клиновидных плашках. Под действием веса потайной обсадной колонны срезаются штифты, соединяющие корпус и опорную втулку. Корпус вместе с колонной перемещается вниз, с разгрузкой веса потайной колонны на уплотнительный элемент, с герметизацией межколонного пространства. Сбрасывают давление и разъединителем ликвидируют связь между потайной и бурильной колонной труб. После этого осуществляют промывку и подъем бурильной колонны из скважины.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- для отсоединения бурильной колонны труб от устройства рекомендуется включать в состав компоновки разъединитель;
- для сохранения целостности обсадной колонны рекомендуется иметь линейные размеры плашек якорящего узла не менее чем 200 мм, что увеличивает габаритные размеры устройства;
- для повышения качества цементирования рекомендуется вращать потайную колонну, но в данной конструкции такую операцию осуществить невозможно.
Тем самым снижается эффективность применения устройства.
Для перекрытия кольцевого зазора между потайной и обсадной колоннами уплотнительным элементом осуществляют перемещение бурильной колонны вниз. В этом случае необходимо учитывать, на каком расстоянии от башмака потайной колонны находится мостовая пробка, чтобы обеспечить надежное перекрытие кольцевого зазора уплотнителем.
Известен пакер (см. Абубакиров В.Ф., Буримов Ю.Г., Гноевых А.Н. и др. Буровое оборудование: Справочник: В 2-х т. Т 2. Буровой инструмент - М.: ОАО «Издательство «Недра», 2003. С. 462-464).
Пакер предназначен для надежной подвески и герметизации потайной колонны хвостовика диаметром от 114 до 168 мм. Пакер состоит из полого корпуса с наружной резьбой обсадных труб внизу и воронкой вверху, с левой резьбой, для подсоединения к колонне бурильных труб. На наружной поверхности корпуса установлен металлический раздуваемый уплотнительный элемент (тонкостенная оболочка), с кольцевыми наборными шлипсами. Герметизация уплотнителя сверху и снизу осуществляется резиновыми кольцами. Подача жидкости для раздувания уплотнительного элемента осуществляется через циркуляционные отверстия.
Посадка пакера осуществляется давлением рабочей жидкости, не превосходящим критическое давление для обсадной колонны.
Металлический уплотнительный элемент расширяется до контакта с внутренней поверхностью стенок труб обсадной колонны. При сохранении давления бурильную колонну труб перемещают вниз, с перекрытием сечения циркуляционного отверстия. Потайную колонну разгружают на пакер, с отсоединением правым вращением бурильной колонны труб.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- низкую надежность работы, заключающуюся в том, что для обеспечения раздувания металлической тонкостенной оболочки необходимо иметь высокое давление рабочей жидкости, которое принимается меньше критического давления для обсадной колонны, т.е. оболочка должна быть тонкой. При расчете по сопромату ее толщина должна быть в пределах 1-2 мм. В этом случае проблематично разместить и закрепить на ней шлипсы. Вместе с тем нагрузить такую оболочку осевой нагрузкой от веса труб хвостовика, с сохранением ее целостности, более чем проблематично;
- возможность обеспечения герметизации кольцевого зазора уплотнителем, выполненным металлическим, также вызывает большие сомнения, поскольку трубы обсадной колонны обладают разностенностью и эллипсностью, и поджать уплотнительный элемент равномерно по всему периметру сложно. Кроме того, на внутренней поверхности обсадной колонны всегда имеются механические повреждения, перекрыть герметично которые металлическим уплотнителем не представляется возможным.
Известно устройство для соединения и разъединения колонны труб со скважинным оборудованием (см. АС №609869, М. кл. E21B 33/12, опубл. 05.06.1978, бюл. №21), принятое за прототип.
Устройство состоит из корпуса с упорами, между которыми размещены защелки, которые охватывают ниппель с буртом, опирающийся на упор под защелками.
Ниппель верхним концом связан с муфтой и образует с ней кольцевую камеру, в которой размещен толкатель, с возможностью взаимодействия с защелками. Над толкателем установлен подпружиненный ступенчатый кольцевой поршень, полость над которым гидравлически связана с полостью скважины.
Для соединения колонны труб с нижерасположенным оборудованием устройство опускают вниз, с воздействием буртом ниппеля на защелки и опорой на посадочное место в упоре.
При необходимости рассоединения в колонне труб создают избыточное давление, с воздействием на ступенчатый поршень, который, преодолевая сопротивление пружины, перемещается вверх с открытием подачи давления на площадь поперечного сечения толкателя.
При этом толкатель перемещается вниз, с воздействием на защелки и их перемещением между упорами до внутренней стенки корпуса. Натяжением колонны труб перемещают ниппель с толкателем относительно корпуса, тем самым отсоединяясь от оборудования, расположенного ниже.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- при подсоединении устройства к оборудованию, а именно к корпусу, в котором размещены упоры и защелки, находящиеся постоянно в скважине, имеет место воздействие негативных факторов, таких как наличие мехпримесей, солей и т.д. в добываемой продукции, которые попадают в зазоры и могут привести к заклиниванию подвижных элементов, с соответствующим отказом оборудования;
- при необходимости передачи крутящего момента на нижерасположенное оборудование, это осуществить не представляется возможным;
- при добыче пластового флюида в осевом канале ниппеля и лифтовой колонне труб, существует повышенное давление, по сравнению с давлением в межтрубном пространстве, которое передается на ступенчатый поршень и при определенных значениях может привести к несанкционированному срабатыванию устройства на отсоединение, что в ряде случаев может привести к аварии;
- вес нижерасположенного оборудования сообщается на защелки, что также снижает надежность работы.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- возможность спуска и установки в скважине потайной обсадной колонны с обеспечением промывки межтрубного пространства;
- возможность осуществления подачи тампонажного раствора в межтрубное пространство за потайной обсадной колонной при изоляции от него внутренней кольцевой камеры;
- возможность образования гидравлической связи осевого канала бурильной колонны труб с кольцевой камерой устройства, после прокачки тампонажного раствора, с обеспечением рассоединения бурильной колонны труб от устройства;
- возможность герметизации внутритрубного пространства от межтрубного при осуществлении добычи пластового флюида.
Технический результат достигается тем, что устройство для подвески и герметизации потайной обсадной колонны состоит из корпуса, ниппеля с упорами, между которыми размещены подпружиненные защелки, охватывающие ниппель. Корпус верхним концом связан со шлицевой гайкой, а нижним концом с муфтой, с образованием кольцевой камеры, в которой размещен толкатель с кольцевым поршнем, установленными с возможностью взаимодействия с подпружиненными защелками, подпружиненный ступенчатый кольцевой поршень, полость над которым гидравлически связана перепускным отверстием с осевым каналом ниппеля. Муфта снабжена гидроцилиндром, втулкой с циркуляционным отверстием и продольными каналами, охватывающей ступенчатый кольцевой поршень, и стволом, охватывающим ниппель. В муфте выполнена внутренняя расточка, гидравлически связанная отверстиями в теле муфты с полостью гидроцилиндра над силовым поршнем с толкателем, снабженным разрезным стопорным кольцом, обращенным к кольцевым насечкам на теле ствола, на наружной поверхности ствола установлена гильза с поясками на концах, имеющая ряд продольных прорезей, охватываемая уплотнительным элементом, опирающимся на упорную гайку, связанную со стволом. На шлицевой гайке выполнены внутренние продольные пазы, в которых размещены ответные выступы переходника. На наружной поверхности переходника установлена стопорная гайка с возможностью торцового контакта с корпусом. В осевом канале ниппеля установлена шторка, связанная с ним срезным элементом, привод которой выполнен в виде разделительной пробки. На нижнем конце ниппеля установлена продавочная пробка, связанная с ним срезным штифтом, съем которой выполнен в виде посадочного клапана, свободно проходящего через осевой канал шторки, а механизм соединения лифтовой колонны труб с корпусом размещен на нижнем конце трубы и выполнен в виде верхнего патрубка с гайкой и изолирующей прокладкой, связанного через переходную муфту с патрубком-удлинителем, снабженным уплотнителем, установленными с возможностью торцового контакта изолирующей прокладки с торцом шлицевой гайки и переходной муфтой - с кольцевым поршнем.
Конструкция устройства поясняется следующими чертежами, где:
- на фиг. 1 - общий вид устройства в разрезе при осуществлении промывки скважины, с последующим перекрытием осевого канала пробкой-клапаном;
- на фиг. 2 - общий вид устройства в разрезе при нахождении в осевом канале разделительной пробки;
- на фиг. 3 - взаимное положение деталей устройства в положении рассоединения от бурильной колонны и перекрытия межтрубного пространства пакером;
- на фиг. 4 - конструкция устройства в разрезе, после отсоединения бурильной колонны;
- на фиг. 5 - вид сверху, поясняющий конструкцию шлицевого соединения корпуса и разъединителя;
- на фиг. 6 - оснащение устройства присоединительным узлом, связанным с лифтовой колонной труб, с соединением с хвостовиком и герметизацией межтрубного пространства над устройством.
Устройство состоит из корпуса 1, связанного через муфту 2 с гидроцилиндром 3.
Снизу муфта 2 соединена со стволом 4 для связи с трубой потайной обсадной колонной.
В осевой канал муфты 2 пропущен ниппель 5, связанный верхним концом через переходник 6 с бурильной колонной труб. Между ниппелем 5 и корпусом 1 образована кольцевая камера 7, в которой размещен толкатель 8 с кольцевым поршнем 9. Ниппель 5 имеет резьбу, на которой установлены упоры 10, чередующиеся с подпружиненными защелками 11. Сверху корпус 1 перекрыт шлицевой гайкой 12, с продольными пазами 13, в которые входят ответные выступы 14 на наружной поверхности переходника 6, снабженного вышерасположенной резьбой 15, на которой установлена стопорная гайка 16, контактирующая с торцом корпуса 1.
Ниппель 5 выполнен ступенчатым по наружному диаметру и снабжен ступенчатым кольцевым поршнем 17, поджимаемым к выступу пружиной 18 с перекрытием своим телом перепускного отверстия 19, выполненного в теле ниппеля 5. В муфте 2 установлена втулка 20 с продольными каналами 21 и циркуляционным отверстием 22, соединяющим кольцевую камеру 7 с внутренней расточкой 23, охватывающая ступенчатый кольцевой поршень 17.
В теле муфты 2 выполнены отверстия 24, соединяющие внутреннюю расточку 23 муфты 2 с полостью гидроцилиндра 3, в котором размещен силовой поршень 25 с толкателем 26, опирающимся на гильзу 27 с верхним 28 и нижним 29 поясками, между которыми гильза 27 имеет ряд продольных прорезей. С внешней стороны на гильзе 27 расположен уплотнительный элемент 30, поджимаемый снизу упорной гайкой 31. На наружной поверхности ствола 4 выполнен ряд кольцевых насечек 32 для взаимодействия с разрезным стопорным кольцом 33, установленным в расточке в теле толкателя 26.
На нижнем конце ниппеля 5, на срезных штифтах 34 установлена продавочная пробка 35 с сужением 36 в осевом канале 37.
В месте расположения перепускного отверстия 19 в осевом канале 38 ниппеля 5 установлена шторка 39, связанная с ним срезным элементом.
Для управления процессом цементирования в осевом канале 37 продавочной пробки 35 устанавливается посадочный клапан 40. Условно показана также разделительная пробка 41, проходящая в осевой канал 38 ниппеля 5 (см. фиг. 2). Кольцевые зазоры между сопрягаемыми деталями устройства перекрыты резиновыми кольцами.
Для подготовки скважины к эксплуатации, после ОЗЦ (ожидание затвердевания цемента), и извлечения бурильной колонны труб вместе с ниппелем 5, в осевой канал корпуса 1, на лифтовой колонне труб (см. фиг. 6) вводится эксплуатационный узел, включающий верхний патрубок 42 с гайкой 43 и изолирующей прокладкой 44, связанный с переходной муфтой 45, с которой связан патрубок-удлинитель 46, снабженный уплотнителем 47. В таком положении осуществляют освоение и запуск скважины в эксплуатацию.
Принцип работы устройства
К присоединительной резьбе на нижнем конце ствола 4 подсоединяют верхнюю трубу потайной обсадной колонны. Затем к переходнику 6 подсоединяют первую трубу бурильной колонны и осуществляют спуск потайной колонны на заданную глубину, с обеспечением опоры на мостовую пробку, установленную предварительно.
Подключают на устье к бурильной колонне насосный агрегат и ведут промывку скважины. Затем сбрасывают посадочный клапан 40 с вводом его в сужение 36 в осевом канале 37 продавочной пробки 35. Осуществляют подачу под давлением тампонажного раствора, с воздействием избыточным давлением на продавочную пробку 35, и срезом штифтов 34. Под действием столба тампонажного раствора и перепада давления, под которым ведется цементирование, продавочная пробка 35 перемещается по осевому каналу труб потайной колонны до башмака. После подачи в осевой канал бурильной колонны труб расчетного объема тампонажного раствора, в него подают разделительную пробку 41 (см. фиг. 2), с продавливанием буферной жидкостью в осевой канал ниппеля 5 до контакта с телом шторки 39.
При этом происходит разрушение срезного элемента, соединяющего шторку 39 с ниппелем 5, и совместное перемещение разделительной пробки 41 и шторки 39 вниз до кольца - «стоп».
При повышении давления буферная жидкость из осевого канала ниппеля 5, через перепускное отверстие 19 подается под ступенчатый кольцевой поршень 17, с его перемещением вниз внутри втулки 20 и открытым гидравлической связи с кольцевой камерой 7. Под действием избыточного давления, воспринимаемого ступенчатым кольцевым поршнем 17, кольцевой поршень 9 с толкателем 8 перемещается вверх, с взаимодействием своим концом с подпружиненными защелками 11 и их перемещением к стенке ниппеля 5, что приводит к отсоединению бурильной колонны от устройства, связанного с потайной обсадной колонной через ствол 4. Одновременно буферная жидкость через продольные каналы 21 во втулке 20 и циркуляционное отверстие 22 поступает во внутреннюю расточку 23 муфты 2 и далее, через отверстие 24 подается в полость гидроцилиндра 3.
Под действием избыточного давления силовой поршень 25 с толкателем 26 перемещаются вниз с воздействием на гильзу 27 с продольными прорезями, которая под действием осевой сжимающей нагрузки расширяется в средней части, с радиальным перемещением уплотнительного элемента 30 к стенке обсадной колонны и перекрытием кольцевого зазора между обсадной колонной и потайной обсадной колонной (см. фиг. 3).
При наличии тампонажного раствора в межтрубном пространстве скважины, для улучшения сцепления с горной породой, возможна передача крутящего момента на корпус 1 через взаимодействие переходника 6 со шлицевой гайкой 12.
Наличие на переходнике 6 стопорной гайки 16 позволяет снизить нагрузку от веса бурильной колонны на подпружиненные защелки 11 и обеспечить защиту от попадания мехпримесей внутрь корпуса 1.
Для сохранения контакта уплотнительного элемента 30 со стенкой обсадной колонны на толкателе 26 размещено разрезное стопорное кольцо 33, которое взаимодействует с кольцевыми насечками 32 на стволе 4.
После ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) натяжением бурильной колонны труб извлекают ниппель 5, с подпружиненными защелками 11, упорами 10 и стопорной гайкой 16 из корпуса 1, что позволяет удалить эти элементы вместе с бурильной колонной из скважины. Такое положение элементов устройства показано на фиг. 4.
Для подготовки газовой скважины к эксплуатации лифтовая колонна труб оснащается верхним патрубком 42 (см. фиг. 6), на котором размещены гайка 43 с изолирующей прокладкой 44.
Верхний патрубок 42 через переходную муфту 45, связан с патрубком-удлинителем 46, снабженным уплотнителем 47, вводится внутрь осевого канала ствола 4, с опорой переходной муфтой 45 на кольцевой поршень 9 и изолирующей прокладкой 44 с гайкой 43 на торец шлицевой гайки 12. Уплотнитель 47 герметизирует межтрубное пространство от осевого канала лифтовой колонны труб. В таком положении ведется эксплуатация скважины.