УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗОЛЯЦИИ ЗОН ОСЛОЖНЕНИЯ БУРЕНИЯ СКВАЖИНЫ ПРОФИЛЬНЫМ ПЕРЕКРЫВАТЕЛЕМ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМИ УЧАСТКАМИ
DEVICE FOR ISOLATION OF WELL DRILLING PROBLEMS ZONES BY SHUTTER WITH CYLINDRICAL SECTIONS

Изобретение относится к области бурения скважин, а именно к технологии и средствам ликвидации зон осложнения при бурении скважин.
Известно устройство для перекрытия зоны осложнения в скважине (а.с. SU №1712581, МПК Е21В 29/10, 33/13, опубл. 15.02.1992 г. Бюл. №6), которое включает профильную трубу с цилиндрическими участками по концам, на нижнем из которых размещен башмак с обратным клапаном, а в верхнем - расширитель с вальцующими элементами, размещенную над профильной трубой дорнирующую головку, состоящую из нескольких секций, установленных ступенчато с уменьшающимися по диаметру в сторону раздачи вальцующими элементами, жестко связанными между собой: захватывающий элемент, замковый механизм и узел соединения с бурильными трубами.
Основным недостатком этого устройства является ненадежность изоляции зон осложнения бурения скважин вследствие плохой калибровки раздутой профильной части перекрывателя и некачественного прижатия цилиндрической части перекрывателя развальцовкой, что может привести к заклиниванию долота при его спуске после установки профильного перекрывателя для продолжения бурения, к нарушению герметичности резьбовых соединений перекрывателя, а иногда и к их разрушению из-за многоразовой знакопеременной нагрузки. Также при неглубоких интервалах бурения может не хватить веса колонны бурильных труб для прохождения цилиндрических частей, что приведет к заклиниванию инструмента и, как следствие, к аварийной ситуации.
Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому являются способ и устройство изоляции зон осложнения бурения скважины профильным перекрывателем с цилиндрическими участками (патент RU №2374424, МПК Е21В 29/10, опубл. 27.11.2009 г. Бюл. №33).
Устройство по этому патенту включает профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, установленный на нижнем конце перекрывателя башмак с обратным клапаном, расширяющую головку, состоящую из нескольких установленных друг над другом секций в виде пуансонов с уменьшающимися от секции к секции в сторону перекрывателя рабочими максимальными диаметрами и содержащую сверху узел соединения с колонной труб, а снизу - замковый механизм, а также якорный узел, выполненный с возможностью взаимодействия со стенками скважины или профильным перекрывателем при повышении внутреннего давления, и установленный последовательно ниже гидродомкрат, состоящий из соединенных соосно полых поршней и цилиндров.
Недостатками этого устройства являются ненадежность и недостаточная эффективность работы якорного узла и гидродомкрата, что выражается в следующем. В расширяющей головке наряду с использованием механических пуансонов 7' и 7”, дорнирующие вставки которых постоянно выдвинуты в рабочее положение, используется пуансон 7”', в котором выдвижение дорнирующих вставок должно осуществляться только после спуска перекрывателя в заданный интервал установки скважины, непосредственно при калибровке и раздаче перекрывателя, что связано со следующими требованиями. С одной стороны, перекрыватель должен быть установлен в скважине без уменьшения проходного диаметра скважины, с другой - пуансоны должны свободно, под собственным весом, проходить по стволу скважины до заданного интервала установки перекрывателя в скважине. Выдвижение дорнирующих вставок пуансона 7”' происходит при повышении избыточного давления в центральном канале, причем одновременно с этим, согласно описанию рассматриваемого патента, начинают работать гидродомкрат и якорное устройство. Таким образом, при работе пуансона 7”' постоянно будет задействован гидродомкрат, а главное - якорное устройство. Это означает, что даже при калибровке профильной части перекрывателя, когда для этого достаточно веса колонны бурильных труб и нет необходимости задействовать гидродомкрат и якорное устройство, одновременно с выдвижением дорнирующих вставок пуансона 7”' происходит выдвижение плашек якорного устройства, что исключает нормальную работу при калибровке профильной части перекрывателя с использованием веса колонны труб. При большой длине устанавливаемого перекрывателя (100 м и более) его калибровка, включая профильные участки, с использованием гидродомкрата и якорного устройства является нецелесообразной и занимает много времени. Якорный узел, взаимодействующий со стенками скважины или профильным перекрывателем, должен обладать значительным усилием заклинивания, чтобы воспрепятствовать выталкиванию бурильной колонны при работе гидродомкрата. Поэтому гидравлический якорь с радиально выдвигающимися плашками в предложенной конструкции неудовлетворительно выполняет свои функции закрепления бурильной колонны. Промысловые испытания показали ненадежность работы якорного узла с радиально выдвигающимися плашками и недостаточную эффективность гидродомкрата.
Технической задачей изобретения является повышение надежности и эффективности устройства для ликвидации зон осложнения бурения скважин за счет его оснащения регулируемым гидравлическим клапаном, позволяющим координировать работу гидродомкрата и якорного узла в зависимости от усилия раздачи пуансонами профильного перекрывателя.
Указанная техническая задача решается устройством для изоляции зон осложнения бурения скважины профильным перекрывателем с цилиндрическими участками, включающим профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, установленный на нижнем конце перекрывателя башмак с обратным клапаном, расширяющую головку, состоящую из нескольких секций, установленных друг над другом, с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя и содержащую снизу замковый механизм, герметично соединенный с верхним концом перекрывателя, установленные над расширяющей головкой узел соединения с колонной труб, якорный узел, выполненный с возможностью взаимодействия со стенками скважины или профильным перекрывателем при повышении внутреннего давления, гидродомкрат, состоящий из поршня с полым штоком и цилиндра, сообщенного с полостью штока, причем секции расширяющей головки выполнены в виде пуансонов с уменьшающимися от секции к секции в сторону перекрывателя максимальными диаметрами рабочих поверхностей, а каждый пуансон выполнен из корпуса с центральным каналом и расширяющимися от перекрывателя направляющими, на которых с возможностью ограниченного перемещения установлены дорнирующие вставки, подпираемые снизу от перекрывателя толкателем, причем на корпусе последнего от перекрывателя пуансона размещен сообщенный с центральным каналом корпуса цилиндр с кольцевым поршнем, взаимодействующий сверху с толкателем, а на корпусах остальных пуансонов размещены пружины сжатия, опирающиеся каждая снизу на свой упор, а сверху - на толкатели.
Новым является то, что полость штока сообщена с цилиндром и одновременно с якорным узлом через регулируемый гидравлический клапан, состоящий из седла, расположенного снаружи штока, и поджимаемого к нему пружиной с регулируемым усилием клапана, при этом полый шток оснащен дополнительным клапаном, пропускающим снаружи внутрь.
Новым является также то, что между расширяющей головкой и парой якорный узел и гидродомкрат установлена как минимум одна дополнительная аналогичная пара якорного узла и гидродомкрата с последовательно соообщенными штоками поршней.
На фиг.1 изображена верхняя часть устройства, включающая гидродомкрат, якорный узел и гидравлический регулируемый клапан.
На фиг.2 - верхняя часть устройства с дополнительной аналогичной парой якорного узла, гидродомкрата и гидравлического регулируемого клапана.
На фиг.3 - расширяющая головка.
На фиг.4 в увеличенном масштабе изображен выносной элемент В фиг.3.
На фиг.5 - в увеличенном масштабе выносной элемент Г фиг.3.
На фиг.6 - нижняя часть устройства, включающая перекрыватель с замковым механизмом расширяющей головки и башмак с обратным клапаном.
На фиг.7 в увеличенном масштабе изображен выносной элемент А фиг.1 и фиг.2: гидравлический регулируемый клапан и дополнительный клапан, пропускающий снаружи внутрь полого штока.
На фиг.8 в увеличенном масштабе изображен выносной элемент Б фиг.1 и фиг.2: якорный узел.
Устройство для изоляции зон осложнения (например, каверны, осыпания породы, водопроявления и т.п. на фиг. не показаны) при бурении скважины 1 (см. фиг.1 и 2) включает профильный перекрыватель 2 (см. фиг.6) с цилиндрическими участками 3 и резьбовыми соединениями 4 на этих участках для герметичного соединения между собой, установленный на нижнем конце перекрывателя 2 башмак 5 с обратным клапаном 6, расширяющую головку 7 (см. фиг.3), состоящую из нескольких секций 7', 7”, 7”', установленных друг над другом, с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями 8 в сторону профильного перекрывателя 2 (см. фиг.6) и содержащую снизу замковый механизм 9, герметично соединенный с верхним концом перекрывателя 2. Секции 7', 7”, 7”' (см. фиг.3) расширяющей головки 7 выполнены в виде пуансонов 8', 8”, 8”' с уменьшающимися от секции к секции в сторону перекрывателя 2 (см. фиг.6) максимальными диаметрами рабочих поверхностей 8 (см. фиг.3), каждый пуансон 8', 8”, 8”' выполнен из корпуса 10 (см. фиг.4 и 5) с центральным каналом 11 и расширяющимися от перекрывателя 2 (см. фиг.6) направляющими 12 (см. фиг.4 и 5), на которых с возможностью ограниченного перемещения установлены дорнирующие вставки 13, подпираемые снизу от перекрывателя 2 (см. фиг.3) толкателем 14 (см. фиг.4 и 5), причем на корпусе 10 (см. фиг.4) последнего от перекрывателя 2 (см. фиг.6) пуансона 8”' (см. фиг.4) размещен сообщенный с центральным каналом 11 цилиндр 15 с кольцевым поршнем 16, взаимодействующим сверху с толкателем 14 и подпружиненным вниз от корпуса 10 пружиной 17, а на корпусах 10 (см. фиг.5) остальных пуансонов 8' и 8'' (см. фиг.3) размещены пружины сжатия 18 (см. фиг.5), опирающиеся каждая снизу на свой упор 19, а сверху - на толкатели 14.
Устройство содержит гидродомкрат 20 (см. фиг.1 и 2), состоящий из кольцевого поршня 21, соединенного соосно с полым штоком 22, и цилиндра 23, сообщенного с полостью 24 штока 22 через регулируемый гидравлический клапан 25. Шток 22 гидродомкрата 20 снизу жестко соединен с расширяющей головкой 7 (см. фиг.3), а сверху свободен и имеет выступ 26 (см. фиг.1 и 2) для ограничения своего хода.
Регулируемый гидравлический клапан 25 (см. фиг.1, 2 и 7) состоит из седла 27 (см. фиг.7), расположенного снаружи полого штока 22, и поджимаемого к нему с регулируемым усилием пружиной 28 клапана 29. Регулировка усилия пружины 28 производится гайкой 30. Для сброса давления и выхода жидкости из цилиндра 23 (см. фиг.1 и 2) полый шток 22 (см. фиг.7) оснащен дополнительным клапаном 31, пропускающим снаружи внутрь.
Устройство содержит также якорный узел 32 (см. фиг.1, 2 и 8), установленный над расширяющей головкой 7 (см. фиг.3), состоящий из цилиндра 23 (см. фиг.8), конуса 33, расширяющегося снизу вверх и жестко связанного с цилиндром 23, плашек 34 с толкателями 35, взаимодействующими с кольцевым отжатым пружиной 36 вниз от цилиндра 23 поршнем 37, размещенным в полости между цилиндром 23 и штоком 22 гидродомкрата 20 (см. фиг.1 и 2), причем плашки 34 (см. фиг.8) выполнены взаимодействующими с конусом 33 и с возможностью расширения при перемещении вверх под действием кольцевого поршня 37 и толкателей 35 до взаимодействия со стенками скважины 1 (см. фиг.6) или профильным перекрывателем 2. Конус 33 (см. фиг.8) жестко связан с герметичным кожухом 38, который, в свою очередь, жестко соединен сверху через узел соединения 39 (см. фиг.1 и 2) с колонной труб 40.
В случае установки дополнительной аналогичной пары якорного узла 32 (см. фиг.2) и гидродомкрата 20 штоки 22 поршней 21 гидродомкратов 20 жестко и последовательно соединены между собой. Установка дополнительных гидродомкратов 20 и якорных узлов 32 является необходимой при недостаточности осевого усилия, развиваемого одним гидродомкратом 20, для раздачи профильного перекрывателя 2 (см. фиг.6) большого диаметра и (или) с большой толщиной стенки.
Уплотнительные элементы 41, 42, 43, 44 служат для герметизации и предотвращения утечек в устройстве. Технические элементы конструкции, на которые авторы не претендуют, не указаны или указаны условно.
Устройство работает следующим образом.
После сборки перекрывателя 2 (см. фиг.6) на устье скважины 1 и присоединения к перекрывателю 2 расширяющей головки 7 (см. фиг.3), гидродомкрата 20 (см. фиг.1 и 2) и предварительно настроенного с помощью резьбовой гайки 30 (см. фиг.7) на определенную величину давления срабатывания (открытия) регулируемого гидравлического клапана 25, дополнительного клапана 31 (см. фиг.7) и якорного узла 32 (см. фиг.1 и 2) устройство присоединяют через узел соединения 39 к трубам 40, на которых спускают его в скважину 1.
После спуска перекрывателя 2 (см. фиг.6) в скважину 1 на колонне труб 40 (см. фиг.1 и 2) до интервала, где необходимо изолировать зону осложнения бурения скважины 1 (см. фиг.6), в профильный перекрыватель 2 через колонну бурильных труб 40 (см. фиг.1 и 2), полость 24 штоков 22, центральный канал 11 (см. фиг.3) расширяющей головки 7, замковый механизм 9 (см. фиг.6) подают избыточное давление, причем его величина меньше давления срабатывания (открытия) регулируемого гидравлического клапана 25 (см. фиг.1 и 2). Под действием избыточного внутреннего давления обратный клапан 6 (см. фиг.6) башмака 5 закрывается, профильные участки перекрывателя 2 расправляются и прижимаются к стенкам скважины 1, а кольцевой поршень 16 (см. фиг.4) в цилиндре 15 секции 7”' (см. фиг.3) расширяющей головки 7 через толкатель 14 (см. фиг.4) по направляющим 12 корпуса 10 выводит в рабочее положение дорнирующие вставки 13 пуансона 8”'. При этом дорнирующие вставки 13 (см. фиг.5) пуансонов 8' (см. фиг.3) и 8” секций 7' и 7” расширяющей головки 7 посредством пружин сжатия 18, опирающихся каждая снизу на свой упор 19, уже находятся в рабочем положении. Кожух 38 (см. фиг.1 и 2) обеспечивает присоединение якорного узла 32 и цилиндра 23 гидродомкрата 20 к колонне труб 40, а также герметичность устройства.
При разгрузке устройства с колонной труб 40 (см. фиг.1 и 2) под их весом замковый механизм 9 (см. фиг.6) выходит из зацепления с верхним концом перекрывателя 2. При дальнейшей разгрузке колонны труб 39 (см. фиг.1 и 2) и ее спуске расширяющая головка 7 (см. фиг.3) своими рабочими поверхностями 8 пуансонов 8', 8”, 8”' последовательно дорнирует и калибрует под весом всего оборудования профильную часть перекрывателя 2 (см. фиг.6).
При дорнировании цилиндрических участков 3 и резьбовых соединений 4 перекрывателя 2, когда веса колонны труб 40 (см. фиг.1 и 2) не хватает для их раздачи, в колонне труб 40 создают избыточное давление, превышающее давление срабатывания (открытия) регулируемого гидравлического клапана 25. При этом избыточное давление жидкости, преодолевая усилие сжатой пружины 28 (см. фиг.7), через клапан 29, отжимаемый от седла 27, возникает в цилиндре 23 (см. фиг.1 и 2) гидродомкрата 20 и якорного узла 32. Избыточное давление, воздействуя на поршень 37 (см. фиг.8) якорного узла 32, заставляет его перемещаться вверх вместе с толкателями 35, выдвигая плашки 34 до своего рабочего положения, т.е. до их взаимодействия со стенками скважины 1 (см. фиг.6) или перекрывателя 2. Одновременно с этим избыточное давление воздействует на поршни 21 гидродомкрата 20 (см. фиг.1 и 2), которые, в свою очередь, через жесткое закрепление со штоками 22 заставляют их перемещаться вниз. Шток 22 воздействует этой создаваемой гидродомкратом осевой нагрузкой на расширяющую головку 7 (см. фиг.3), которая своими пуансонами 8', 8”, 8”' дорнирует и калибрует цилиндрические участки 3 (см. фиг.6) и резьбовые соединения 4 перекрывателя 2. Усилие, создаваемое гидродомкратами 20 (см. фиг.1 и 2), удерживается плашками 34 (см. фиг.8) якорных узлов 32 (см. фиг.1 и 2), взаимодействующими со стенками скважины 1 (см. фиг.6) или перекрывателя 2. Ход поршней 21 (см. фиг.1 и 2) гидродомкратов 20 ограничен выступом 26 штока 22.
После того как поршни 21 со штоками 22 переместятся вниз, т.е. осуществится ход гидродомкрата 20, сбрасывают избыточное давление в колонне труб 40. Вследствие этого сбрасывается избыточное давление в цилиндре 23 гидродомкрата 20 и якорного узла 32 через дополнительный клапан 31 (см. фиг.7), пропускающий снаружи внутрь, и под действием пружины 17 (см. фиг.4) толкатель 14 и дорнирующие вставки 13 возвращаются в исходное положение. После этого приподнимают колонну труб 40 (см. фиг.1 и 2). При этом выходят из зацепления с конусом 33 (см. фиг.8) плашки 34 якорного узла 32, и под действием пружины 36 кольцевой поршень 37 возвращается вниз от цилиндра 23 в исходное положение. Окончание хода штоков 22 (см. фиг.1 и 2) гидродомкратов 20 и освобождение плашек 34 (см. фиг.8) якорных узлов 32 (см. фигуры 1 и 2) из зацепления со стенками скважины 1 или профильным перекрывателем 2 (см. фиг.6) определяют по гидравлическому индикатору веса (на фиг. не показан) на устье скважины 1 и перемещению колонны труб 40 (см. фиг.1 и 2).
Затем в колонне труб 40 вновь создают избыточное давление, величина которого меньше давления срабатывания (открытия) регулируемого гидравлического клапана 25, разгружают колонну труб 40 и опускают ее до тех пор, пока расширяющей головке 7 (см. фиг.3) для дорнирования и калибровки перекрывателя 2 (см. фиг.6) не будет достаточно веса колонны труб 40 (см. фиг.1 и 2). После этого вновь создают избыточное давление в колонне труб 40, превышающее давление срабатывания (открытия) регулируемого гидравлического клапана 25, тем самым приводя в действие якорный узел 32 и гидродомкрат 20, дорнируя и калибруя пуансонами 8', 8”, 8”' (см. фиг.3) цилиндрические участки 3 (см. фиг.6) и резьбовые соединения 4 перекрывателя 2.
При достижении нижней части устройства башмака 4 ловитель (на фиг. не показан) захватывает ловильную головку (не показана) башмака 4, после чего пуансонами 8', 8”, 8”' (см. фиг.3) дорнируют и калибруют нижнюю часть перекрывателя 2 (см. фиг.6). После этого башмак 4, замковый механизм 9, расширяющую головку 7 (см. фиг.3), гидродомкрат 20 (см. фиг.1 и 2) и якорный узел 32 на колонне труб 40 извлекают из скважины.
Количество гидродомкратов 20 и якорных узлов 32 зависит от максимально необходимого усилия при дорнировании и калибровке перекрывателя 2 (см. фиг.6), что определяется диаметром и толщиной стенки перекрывателя 2, а именно чем больше диаметр и толщина стенки профильного перекрывателя 2, тем большее осевое усилие требуется для его раздачи пуансонами 8', 8”, 8”' (см. фиг.3), тем больше гидродомкратов 20 необходимо для создания этого усилия и вследствие этого тем больше якорных узлов 32 необходимо для удержания этого усилия.
Предлагаемое устройство позволяет повысить надежность и эффективность работы гидродомкрата и якорного устройства за счет применения регулируемого гидравлического клапана.