СПОСОБ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ХВОСТОВИКА В СКВАЖИНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR CEMENTING SHANK IN WELL AND DEVICE THEREFOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к способам и устройствам для цементирования хвостовика в открытом и обсаженном стволе скважины.
Известно устройство для цементирования хвостовика в скважине (патент RU №2448234, МПК E21B 17/06, 43/10, опубл. Бюл. №11 от 20.04.2012), включающее хвостовик, колонну насосно-компрессорных труб (НКТ), разъединитель, соединяющий между собой верхнюю часть хвостовика и нижнюю часть колонны НКТ, выполненный в виде стыковочного узла, состоящего из воронки, размещенной на верхнем конце хвостовика, и внутреннего освобождающегося ловителя с фиксаторами, установленного на нижнем конце колонны НКТ, при этом разъединение стыковочного узла происходит путем сбрасывания с устья скважины внутрь колонны НКТ шара и создания гидравлического давления в колонне НКТ, клапанный узел, соединенный с нижней частью хвостовика и состоящий из верхнего и нижнего корпусов, в которых установлены друг над другом два подпружиненных обратных клапана, при этом клапанный узел снизу соединен с башмаком и снабжен фильтром, ниппель с заливочными трубами снизу, имеющий возможность герметичного взаимодействия с воронкой стыковочного узла. Во внутреннем освобождающемся ловителе герметично размещена подвижная втулка, зафиксированная в исходном положении срезным винтом, седло для посадки шара выполнено в нижней части подвижной втулки, а выше и ниже седла для посадки шара выполнены соответственно верхний и нижний ряды радиальных отверстий, герметично разобщенных в исходном положении и имеющих возможность сообщения между собой после перемещения подвижной втулки вниз и взаимодействия с ограничителем хода подвижной втулки посредством кольцевого расширения, выполненного на внутренней поверхности в нижней части ловителя, при этом фиксатор стыковочного узла выполнен в виде цанги, размещенной на наружной поверхности ловителя, и фиксирующих шариков, вставленных в сквозные отверстия, выполненные в ловителе, причем в исходном положении выступы цанги изнутри поджаты к кольцевому пазу, выполненному на внутренней поверхности воронки, цилиндрической выборкой, выполненной на наружной поверхности ловителя, при этом фиксирующие шарики снаружи поджаты внутренней кольцевой проточкой цанги, а изнутри подвижной втулкой, имеющей возможность в рабочем положении ограниченного осевого перемещения вниз с последующим выпадением фиксирующих шариков в цилиндрическую проточку, выполненную на наружной поверхности подвижной втулки, и осевого перемещения вниз ловителя относительно цанги с возможностью выхода выступов цанги из взаимодействия с наружной цилиндрической выборкой ловителя и освобождением цанги от заневоливания, причем ниппель ввернут в нижний конец ловителя.
Данным устройством осуществляют способ цементирования хвостовика в скважине, включающий спуск хвостовика на колонне НКТ в скважину с доливом в него технологической жидкости, спуск заливочных труб расчетной длины, оснащенных сверху ниппелем и центратором, стыковку ниппеля заливочных труб с ловителем и герметичного соединения с воронкой стыковочного узла. В таком виде производят спуск хвостовика до забоя и с устья скважины сбрасывают шар, который садится в седло и под действием гидравлического давления перемещает вниз подвижную втулку. При этом происходит разъединение нижней части устройства от верхней, что контролируется частичным подъемом компоновки, далее вновь разгружают компоновку до герметичного соединения ниппеля с воронкой и через заливочные трубы закачивают расчетное количество цементного раствора, продавливают его жидкостью в межколонное пространство, поднимают колонну НКТ на расчетное расстояние и производят промывку. После этого все извлекаемые детали поднимают на устье, а скважину переводят на ожидание затвердевания цемента (ОЗЦ).
Недостатками способа и устройства являются:
- сложность конструкции устройства, которая содержит много деталей, взаимодействующих между собой, и нетехнологичность его изготовления, кроме этого оно металлоемко, а его сборка требует много времени;
- невозможность вращения хвостовика в процессе его спуска в заданный интервал скважины и в процессе цементирования, что затрудняет его прохождение в зоне искривления ствола скважины и шламовых подушек, а также не дает качественного замещения тампонажного раствора в затрубном пространстве;
- нет возможности установить и зацементировать хвостовик в любом интервале скважины, так как для срабатывания разъединительного устройства необходимо спустить хвостовик до забоя и разгрузить компоновку.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство для цементирования хвостовика в скважине (патент ПМ RU №134574, МПК E21B 33/13, E21B 33/14, опубл. Бюл. №32 от 20.11.2013), содержащее установочную муфту для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, хвостовик, клапанный узел в виде подпружиненного обратного клапана и башмак. В стенке установочной муфты выполнены радиальные отверстия, в которых установлены разрушаемые под гидравлическим давлением диафрагмы, при этом она присоединена к корпусу на левой резьбе, внутри корпуса на срезаемых винтах установлена подвесная цементировочная пробка в виде блока эластичных конических манжет с сердечником с центральным проходным каналом и посадочным седлом в верхней части под сбрасываемую с устья скважины цементировочную пробку и посадочным конусом, выполненным на нижнем упорном кольце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца, установленного в стыке между нижним торцом хвостовика и верхним торцом переходника клапанного узла, в соединяющей их муфте.
Данным устройством осуществляют способ цементирования хвостовика в скважине, включающий присоединение хвостовика на левой резьбе установочной муфты к нижнему концу транспортировочной колонны труб, спуск в скважину на заданную глубину, закачку после порции буферной жидкости в транспортировочную колонну труб расчетного объема тампонажного раствора, пуск с устья скважины вслед за последней порцией цементного раствора цементировочной пробки и продавливание ее продавочной жидкостью до фиксации ее в посадочном седле сердечника блока конических манжет, создание избыточного давления, под действием которого срезаются винты и цементировочная пробка в компоновке с блоком конических манжет под действием повышенного давления перемещается вниз до стоп-кольца, в котором посадочный конус кольца плотно садится в седло стоп-кольца, при этом тампонажный раствор из полости хвостовика полностью поступает в заколонное пространство, а обратный клапан предотвращает вход раствора в полость хвостовика из заколонного пространства, повышение давления до расчетного для разрушения диафрагмы с открытием отверстий, через которые промывочной жидкостью отмывают излишки раствора созданием прямой циркуляции, отсоединение вращением от корпуса установочной муфты с транспортировочной колонной труб, которые поднимают их на поверхность.
Недостатками способа и устройства являются:
- невозможность вращения хвостовика в процессе его спуска в заданный интервал скважины и в процессе цементирования, что затрудняет его прохождение в зоне искривления ствола скважины и шламовых подушек, а также не дает качественного замещения тампонажного раствора в затрубном пространстве;
- отсоединение транспортировочной колонны от хвостовика осуществляется посредством левой резьбы, что делает проблематичным или даже невозможным отсоединение при малой длине хвостовика.
Техническими задачами предлагаемого способа являются создание надежной конструкции, позволяющей производить спуск и цементирование хвостовика в скважине с вращением для более качественного замещения цементного раствора в затрубном пространстве и гарантированного отсоединения колонны труб от хвостовика, независимо от его длины и в любом интервале скважины с любой сложностью и направлением ствола.
Поставленная задача решается способом цементирования хвостовика в скважине, включающим присоединение хвостовика с нижним башмаком отцепным устройством через установочную муфту к нижнему концу транспортировочной колонны труб, спуск в скважину хвостовика на заданную глубину, закачку в транспортировочную колонну труб расчетного объема тампонажного раствора, пуск с устья скважины вслед за последней порцией цементного раствора пробки и продавку ее продавочной жидкостью до фиксации ее в седле сердечника блока конических манжет, создание избыточного давления, под действием которого срезаются винты, и пробка в компоновке с блоком конических манжет под действием повышенного давления перемещается вниз до стоп-кольца, в котором посадочный конус кольца плотно садится в седло стоп-кольца, при этом тампонажный раствор из полости хвостовика полностью поступает в заколонное пространство, а обратный клапан предотвращает вход раствора в полость хвостовика из заколонного пространства, повышение давления до расчетного для разрушения диафрагмы с открытием отверстий, через которые промывочной жидкостью отмывают излишки раствора созданием прямой циркуляции, отсоединение от корпуса установочной муфты с транспортировочной колонной труб, которые поднимают их на поверхность.
Новым является то, что установочную муфту соединяют с хвостовиком с возможностью синхронного вращения за счет взаимодействия наружных выступов муфты с пазами, выполненными на торце хвостовика, а соединение муфты и хвостовика осуществляют за счет шариков, вставленных в радиальные отверстия муфты и взаимодействующих снаружи с внутренней выборкой хвостовика, а изнутри подпертых седлом под бросовый шар с наружной цилиндрической проточкой, причем седло фиксируют срезными элементами относительно муфты, при этом в качестве пробки используют технологический шар с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора, и диаметром меньше внутреннего диаметра седла, а обратный клапан изготавливают в виде втулки с верхним глухим осевым каналом, в котором устанавливают стоп-кольцо, и сообщенные с ним ниже стоп-кольца радиальные каналы, сообщающие пространство над и под втулкой, причем втулку фиксируют в башмаке срезными винтами, после разрушения которых при фиксации блока конических манжет с пробкой в стоп-кольце втулка ограниченно перемещается вниз, герметично перекрывает полость башмака и фиксируется замковым механизмом в нижнем положении, а отсоединение производят пуском бросового шара с устья скважины до взаимодействия с седлом, разрушением срезных элементов при избыточном давлении и ограниченном перемещении седла вниз до стыковки цилиндрической проточки седла с радиальными отверстиями, при этом шарики смещаются внутрь в цилиндрическую выборку, выходя из взаимодействия с внутренней выборкой хвостовика, освобождая муфту от хвостовика.
Поставленная техническая задача решается устройством для цементирования хвостовика в скважине, содержащим установочную муфту для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб, корпус, хвостовик, башмак с клапанным узлом, отверстие с разрушаемой под гидравлическим давлением диафрагмой, при этом муфта присоединена к корпусу отцепным устройством, внутри корпуса на срезаемых винтах установлена подвесная цементировочная пробка в виде блока эластичных конических манжет с сердечником с центральным проходным каналом и посадочным седлом под сбрасываемую с устья скважины пробку и посадочным конусом, выполненным на нижнем упорном кольце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца.
Новым является то, что отверстие с диафрагмой выполнено в корпусе ниже муфты, ниже которого в корпусе выполнено кольцевое сужение в зоне фиксации срезными винтами подвесной пробки, причем диаметр сужения на 2-6 мм меньше внутреннего диаметра хвостовика, сбрасываемая пробка выполнена в виде технологического шара с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора, при этом на верхнем торце корпуса хвостовика выполнены пазы под наружные выступы, выполненные на поверхности муфты, а отцепной механизм выполнен в виде шариков, вставленных в радиальные отверстия муфты и взаимодействующих снаружи с внутренней выборкой корпуса хвостовика, а изнутри подпертых седлом под бросовый шар, причем минимальный внутренний диаметр седла больше диаметра технологического шара, и седло снабжено выше радиальных отверстий наружной цилиндрической проточкой, зафиксировано срезными элементами в верхнем положении и выполнено с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных элементов до взаимодействия шариков с проточкой и выхода шариков из взаимодействия с кольцевой выборкой корпуса, при этом клапанный узел выполнен в виде втулки с верхним глухим осевым каналом, в котором размещено стоп-кольцо, и сообщенными с осевым каналом ниже стоп-кольца радиальными каналами, сообщающими пространство башмака над и под втулкой, причем втулка зафиксирована в башмаке срезными винтами в верхнем положении и выполнена с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных винтов с герметичным перекрытием полости башмака и фиксации замковым механизмом в нижнем положении, причем замковый механизм выполнен в виде пружинного кольца, вставленного в кольцевую выборку снаружи втулки и выполненного с возможностью взаимодействия с внутренней кольцевой выборкой внутри башмака в нижнем положении втулки.
На фиг. 1 изображено устройство в собранном виде перед спуском в скважину.
На фиг. 2 изображены элементы конструкции устройства, остающиеся в скважине после проведения всех операций по цементированию и отсоединению транспортирующих труб.
Устройство для цементирования хвостовика в скважине состоит из установочной муфты 1 (фиг. 1) для присоединения устройства к транспортировочной колонне труб (на фиг. не показана), корпуса 2, хвостовика 3, башмака 4 с клапанным узлом, отверстия 5 с разрушаемой под гидравлическим давлением диафрагмой 6, при этом муфта 1 присоединена к корпусу 2 отцепным устройством 7, внутри корпуса 2 на срезаемых винтах 8 установлена подвесная цементировочная пробка 9 в виде блока эластичных конических манжет с сердечником 10 с центральным проходным каналом 11 и посадочным седлом 12 под сбрасываемый с устья скважины технологический шар 13 и посадочным конусом 14, выполненным на нижнем упорном конце блока конических манжет для посадки в седло стоп-кольца 26, причем отверстие 5 с диафрагмой 6 выполнено в корпусе 2 ниже муфты 1, ниже которых в корпусе 2 выполнено кольцевое сужение 15 в зоне фиксации срезными винтами 8 подвесной пробки 9, причем диаметр сужения на 2-6 мм меньше внутреннего диаметра хвостовика 3, а сбрасываемый технологический шар 13 выполнен с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора. При этом на верхнем торце корпуса 2 хвостовика 3 выполнены пазы 16 под наружные выступы 17, выполненные на поверхности муфты 1, а механизм отцепного устройства 7 выполнен в виде шариков 18, вставленных в радиальные отверстия 19 муфты 1 и взаимодействующих снаружи с внутренней выборкой корпуса 2, а изнутри подпертых седлом 20 под бросовый шар 21, причем минимальный внутренний диаметр седла 20 больше диаметра технологического шара 13, и седло 20 снабжено выше радиальных отверстий наружной цилиндрической проточкой 22, зафиксировано срезными элементами 23 в верхнем положении и выполнено с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных элементов 23 до взаимодействия шариков 18 с проточкой 22 и выхода шариков из взаимодействия с кольцевой выборкой корпуса 19. Клапанный узел башмака 4 выполнен в виде втулки 24 с верхним глухим осевым каналом 25, в котором размещено стоп-кольцо 26, с сообщенными с осевым каналом 25 ниже стоп-кольца 26 радиальными каналами 27, сообщающими пространство башмака над и под втулкой, причем втулка 24 зафиксирована в башмаке срезными винтами 28 в верхнем положении и выполнена с возможностью ограниченного перемещения вниз после разрушения срезных винтов 28 с герметичным перекрытием полости башмака и фиксации замковым механизмом в нижнем положении, причем замковый механизм выполнен в виде пружинного кольца 29, вставленного в кольцевую выборку 30 снаружи втулки 24 и выполненного с возможностью взаимодействия с внутренней кольцевой выборкой 31 внутри башмака 4 в нижнем положении втулки 24.
Способ цементирования хвостовика в скважине осуществляется следующим образом.
Хвостовик 3 с башмаком 4 и отцепным устройством 7 через установочную муфту 1 (фиг. 1) присоединяют к нижнему концу транспортировочной колонны труб (на фиг. не показана) и спускают в скважину на заданную глубину. Установочная муфта 1 соединена с хвостовиком 3 с возможностью синхронного вращения за счет взаимодействия наружных выступов 17 муфты 1 с пазами 16, выполненными на торце корпуса 2 хвостовика 3. Вращать хвостовик 3 можно как во время спуска в скважину для преодоления сопротивления шламовых подушек независимо от длины, сложности и направления ствола, так и во время операции цементирования - для лучшего замещения цементным раствором затрубного пространства.
Далее производят закачку расчетного объема тампонажного раствора и с последней порцией отправляют технологический шар 13, который выполнен с плотностью, близкой к плотности тампонажного раствора, чтобы он не всплывал и не опережал движение тампонажного раствора. По достижении технологическим шаром 13 подвесной пробки 9, установленной в кольцевом сужении 15 корпуса 2 ниже установочной муфты 1 и зафиксированной при помощи срезных винтов 8, он попадает в центральный проходной канал 11 и садится в посадочное седло 12 сердечника 10. Затем при дальнейшем увеличении гидравлического давления происходит срез винтов 8 и подвесная пробка 9 вместе с технологическим шаром 13 начинает двигаться вниз. При этом тампонажный раствор начинает вытесняться в затрубное пространство, проходя через осевой канал 25, радиальные каналы 27. По достижении подвесной пробки 9 втулки 24 она посадочным конусом 14 садится в стоп-кольцо 26 и фиксируется в нем. Осевой канал 25 при этом перекрывается и при дальнейшем увеличении гидравлического давления происходит разрушение срезных винтов 28, а втулка 24 перемещается вниз до упора, перекрывая проходной канал башмака 4. Пружинное кольцо 29, вставленное в кольцевую выборку 30, при перемещении втулки 24 сжимается и фиксируется во внутренней кольцевой выборке 31 внутри башмака 4 в нижнем положении втулки 24. В таком положении втулка 24 герметично перекрывает внутреннее пространство хвостовика 3 от затрубного. Таким образом, получаем сигнал о завершении процесса цементирования.
Далее продолжают увеличивать гидравлическое давление внутри хвостовика 3 до расчетного, при котором происходит разрушение диафрагмы 6, установленной в отверстии 5 корпуса 2, и промывают для удаления остатков тампонажного раствора.
Затем в транспортировочную колонну вставляют бросовый шар 21 и начинают прокачивать промывочную жидкость. По достижении бросовым шаром 21 седла 20 происходит разрушение срезных элементов 23. Седло 20 при этом перемещается на расчетное расстояние и срабатывает механизм отцепного устройства 7. Шарики 18, вставленные в радиальные отверстия 19 муфты 1, взаимодействующие снаружи с внутренней выборкой корпуса 2, а изнутри подпертые седлом 20, при этом освобождаются и попадают в наружную цилиндрическую проточку 22. Затем выключают насос и начинают подъем транспортировочной колонны. Установочная муфта 1 с седлом 20 и шаром 21 извлекается на устье, а скважину оставляют на ОЗЦ. По окончании времени ОЗЦ проводится операция перфорирования хвостовика 3.
Предлагаемый способ позволяет производить спуск и цементирование хвостовика в скважине с вращением для более качественного замещения цементного раствора в затрубном пространстве и гарантированного отсоединения колонны труб от хвостовика независимо от его длины и в любом интервале скважины с любой сложностью и направлением ствола.