УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕМОНТА ОБСАДНЫХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ КОЛОНН ПРИ ПОМОЩИ СДВОЕННОГО КОНУСА-ТРАНСФОРМЕРА
DEVICE FOR REPAIR OF CASING AND PRODUCTION STRINGS WITH HELP OF DOUBLE CONE-TRANSFORMER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, преимущественно к устройствам для герметизации обсадных колонн и отключения пластов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известно устройство для герметизации обсадной колонны, раскрытое в описании к патенту RU №2236550 С1, кл. Е21В 29/10, опубл. 20.09.2004.
Известное устройство содержит пластырь в виде гладкого цилиндрического металлического патрубка, гидравлический посадочный инструмент, представляющий собой трехцилиндровый гидростатический привод, и расширяющую оправку, имеющую форму усеченного конуса; по концам пластыря в кольцевых цилиндрических канавках, выполненных в нем, размещены эластичные уплотнители, а гидравлический посадочный инструмент снабжен гидравлическим якорем.
К недостаткам этого устройства следует отнести большое количество сложных сопрягаемых прецизионных деталей гидроцилиндров, ведущих к удорожанию и снижению надежности всей конструкции, а также ограниченность хода поршней гидроцилиндров, которая влечет за собой невозможность герметизации значительных по протяженности повреждений обсадной колонны или нескольких участков негерметичности, расположенных на значительном расстоянии друг от друга. Кроме того, расширение ремонтного пластыря от исходного диаметрального размера до прижатия к стенкам обсадной колонны при помощи протягивания конусообразной оправки, проводимое в один прием (по сути - холодная деформация металлической трубной заготовки), требует значительных осевых усилий, что влечет за собой дополнительные энергозатраты при ремонте скважины.
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. Таким образом, расширение пластыря происходит в два этапа, что снижает энергозатраты на процесс деформации металла.
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, в основном, 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 сегменты, расположенные на самоуплотняющейся манжете, а также подпружиненные конусные плашки, установленные между конусом-пуансоном и плавающими сегментами 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 сегментами 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. И наконец, самым существенным недостатком предложенной конструкции является то, что основное расширение пластыря производится конусом-пуансоном практически сразу в требуемый радиальный размер, а дальнейшие воздействия на стенки пластыря направлены лишь на дожимание и выглаживание неровностей, остающихся после расправления продольных гофр. В итоге осевое усилие протягивания дорнирующей головки вдоль расширяемого пластыря не снижается.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача заявляемого изобретения состоит в разработке устройства для ремонта обсадных и эксплуатационных колонн при помощи сдвоенного конуса-трансформера, а также повышение надежности работы и расширения сферы применяемости устройства в целом.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства за счет применения расширяющей оправки в виде сдвоенного конуса-трансформера, обеспечивающего снижение усилия для раздачи пластыря и, кроме того, снабженного деблокирующим механизмом, который позволяет в случае аварийной ситуации извлечь из пластыря устройство за счет уменьшения его диаметрального габарита. Указанный технический результат достигается за счет того, что в заявленном устройстве с целью снижения осевого усилия, необходимого для деформации пластыря, расширяющая оправка снабжена дополнительным конусом-трансформером с образованием сдвоенного конуса-трансформера, состоящего из головного и хвостового конусов-трансформеров, кинематически связанных друг с другом при помощи толкателей, причем угол при вершине конического корпуса головного конуса-трансформера меньше аналогичного угла хвостового конуса-трансформера. Кроме того, устройство снабжено деблокирующим механизмом возврата расширяющей оправки к исходному диаметральному габариту. Вместе с тем, головной и хвостовой конусы-трансформеры насажены на трубчатую тягу с угловым смещением относительно друг друга таким образом, что середина каждого конусообразного сегмента любого из конусов-трансформеров расположена напротив промежутка между сегментами второго конуса-трансформера.
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 ремонта обсадных и эксплуатационных колонн при помощи сдвоенного конуса-трансформера в момент начала процесса расширения пластыря:
1 - эксплуатационная колонна; 2 - пластырь; 3 - эластичное уплотнительное кольцо; 4 - расширяющая оправка (сдвоенный конус-трансформер); 5 - проставка головного конуса-трансформера; 6 - проставка хвостового конуса-трансформера; 7 - блок силовых армированных манжет; 8 - противовозвратный механизм; 9 - пружина; 10 - ограничительная втулка; 11 - посадочный узел; 12 - разбуриваемый башмак с обратным клапаном; 13 - сбрасываемая пробка; 14 - деблокирующий механизм возврата расширяющей оправки к исходному диаметральному габариту; 15 - трубчатая тяга (мандрель); 16 - резьбовой переводник.
Фиг. 2 - вид А на фиг. 1 в масштабе увеличения (эксплуатационная колонна (1) и пластырь (2) условно не показаны):
17 - головной конус-трансформер; 18 - хвостовой конус-трансформер.
Фиг. 3 - вид Б на фиг. 1 в масштабе увеличения:
19 - конический корпус головного конуса-трансформера; 20 - сегмент головного конуса-трансформера; 21 - толкатель; 22 - конический корпус хвостового конуса-трансформера; 23 - сегмент хвостового конуса-трансформера.
Фиг. 4 - проекционные виды, в т.ч. изометрия, головного конуса-трансформера в масштабе увеличения.
Фиг. 5 - то же хвостового конуса-трансформера.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
max
max
max
max
Устройство для ремонта обсадных и эксплуатационных колонн при помощи сдвоенного конуса-трансформера содержит пластырь (2) в виде тонкостенной гладкой трубы с наружными эластичными уплотнительными кольцами (3) на концах и расширяющую оправку (4) в виде сдвоенного конуса-трансформера, находящуюся внутри пластыря (2) и надетую на трубчатую тягу (мандрель) (15). С одной стороны расширяющая оправка (4) контактирует с деблокирующим механизмом (14), а с другой стороны - через проставку (6) хвостового конуса-трансформера (18) подпирается блоком силовых армированных манжет (7). Расширяющая оправка (4) представляет собой сдвоенный конус-трансформер (фиг. 2), состоящий из головного (17) и хвостового (18) конусов-трансформеров, каждый из которых имеет конический корпус (19) и (22), в котором выполнены, например, параллельно образующим конуса, канавки типа "ласточкин хвост" с размещенными в них с возможностью продольного перемещения конусообразными сегментами (20) и (23) (фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5), причем угол при вершине конического корпуса (19) головного конуса-трансформера (17) меньше аналогичного угла корпуса (22) хвостового конуса-трансформера (18). В коническом корпусе (22) хвостового конуса-трансформера (18) выполнены параллельно оси конуса дополнительные сквозные канавки типа "ласточкин хвост" для размещения толкателей (21), служащих для передачи движения от сегментов (23) хвостового конуса-трансформера (18) к сегментам (20) головного конуса-трансформера (17). Противовозвратный механизм (8) служит для предотвращения нежелательного осевого перемещения назад расширяющей оправки (4) после запуска процесса расширения пластыря (2) (фиг. 1) и представляет собой по сути храповой механизм, в котором храповое колесо выродилось в рейку (в данном случае - в ряд проточек (насечек) на наружной цилиндрической поверхности трубчатой тяги (мандрели) (15)). Пружина (9) служит для силового замыкания всех деталей устройства, расположенных между заплечиком трубчатой тяги (мандрели) (15) и деблокирующим механизмом возврата расширяющей оправки к исходныму диаметральному габариту (14) (далее - «деблокирующий механизм»). Последний предназначен для обеспечения беспрепятственного осевого перемещения вверх конических корпусов (19) и (22) обоих конусов-трансформеров в аварийной ситуации, освобождая их от фиксированного положения, что позволяет обоим конусам-трансфрмерам (17) и (18) вернуться к исходным диаметральным габаритам. Головной (17) и хвостовой (18) конусы-трансформеры расположены на трубчатой тяге (мандрели) (15) с угловым смещением относительно друг друга таким образом, что середина каждого конусообразного сегмента (20) или (23) любого из конусов-трансформеров расположена напротив промежутка между сегментами второго конуса-трансформера (фиг. 2). В общем случае вышеописанная оптимальная величина углового смещения равна 180°/n, где n - количество сегментов. Максимальный диаметральный размер d  головного конуса-трансформера (17) и максимальный диаметральный размер D  хвостового конуса-трансформера (18) ограничены геометрией продольного сечения проставок (5) и (6), которые упираются в торцы соответствующих корпусов (19) и (22) и не позволяют перемещать сегменты (20) и (23) при достижении максимальных размеров (фиг. 2). При этом d <D . Ограничительная втулка (10) предотвращает заневоливание и поломку пружины (9) при подъеме мандрели (15), которая связана при помощи переводника (16) с подъемником буровой установки (на рисунках не показан) посредством тяг, например, в виде колонны насосно-компрессорных труб (НКТ). Нижний торец пластыря (2) герметично заглушен разбуриваемым башмаком (12) с обратным клапаном (на рисунках не показан). В башмак (12) вмонтировано посадочное устройство (11) с седлом (не показано) для сбрасываемой пробки (13) (фиг. 1).
Устройство для ремонта обсадных и эксплуатационных колонн при помощи сдвоенного конуса-трансформера работает следующим образом.
max
max
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 (13) (фиг. 1), которая садится в седло посадочного устройства (11), и начинают нагнетание рабочей жидкости. Последняя проникает в полость между стенками трубчатой тяги (мандрели) (15) и пластыря (2), вызывая осевое перемещение блока силовых армированных манжет (7), который выполняет роль поршня. Через проставку (6) хвостового конуса-трансформера (18) блок манжет (7) давит на конусообразные сегменты (23) последнего, которые перемещаются вдоль пазов "ласточкин хвост" (фиг. 1, фиг. 3) конического корпуса (22), одновременно совершая движение к периферии и воздействуя на стенки пластыря (2), тем самым плавно производя его раздачу (фиг. 2). В то же время сегменты (23) хвостового конуса-трансформера (18) через толкатели (21) приводят в движение сегменты (20) головного конуса-трансформера (17), которые также, скользя в своих канавках, увеличивают диаметральный габарит последнего и создают свою зону расширения пластыря (2). Поскольку угол при вершине конического корпуса (19) головного конуса-трансформера (17) меньше, чем аналогичный угол у хвостового конуса-трансформера (18), а канавки "ласточкин хвост" в конических корпусах (19) и (22) обоих конусов-трансформеров выполнены параллельно образующим, то угол наклона каждой канавки головного конуса-трансформера (17) в продольной плоскости также меньше, чем у хвостового конуса-трансформера (18). Отсюда следует, что при одном и том же осевом перемещении всех подвижных элементов конструкции диаметральный габарит d головного конуса-трансформера (17) будет меньше аналогичного размера D  хвостового конуса-трансформера (18) (фиг. 2). Таким образом, возникают две зоны холодной деформации гладкостенной трубы, образованные двумя конусными оправками. При этом имеет место значительное (до 2-х раз!) снижение осевого усилия раздачи пластыря. Снижение усилия протягивания расширяющей оправки основано на эффекте совмещения внеконтактных зон деформации при холодном расширении труб. Этот эффект заключается в том, что при холодной деформации трубы пуансоном в виде ряда усеченных конусов осевое усилие протягивания пуансона снижается в 1,5…2 раза в сравнении с расширением трубы одним конусом до того же размера при прочих равных условиях за счет образования волны свободной деформации между соседними конусами (А.М. Розенберг, О.А. Розенберг "Механика пластического деформирования в процессах резания и деформирующего протягивания" - Киев: Наукова думка, 1990 г., стр. 154-155; стр. 158-159). Начало процесса раздачи пластыря (2) попутно производит его якорение в эксплуатационной колонне (1) за счет деформации ближайших эластичных уплотнительных колец (3) (фиг. 1). Если используется пластырь (2) без предварительно расширенного с нижнего торца участка, то блок силовых армированных манжет (7), распрямляясь в расширенной части пластыря (2), сохраняет контакт с его стенками и продолжает играть роль поршня. Противовозвратный механизм (8) под воздействием пружины (9) перемещается вслед за блоком манжет (7), делая невозможным обратный ход подвижных деталей (фиг. 1). Одновременно с этим проставка (6) хвостового конуса-трансформера (18), пройдя под воздействием блока силовых манжет (7) расстояние рабочего хода, упирается своим торцом в торец неподвижного корпуса (22) того же конуса-трансформера. Таким образом, дальнейшее перемещение конусообразных сегментов (23) в пазах "ласточкин хвост" становится невозможными, что определяет нужный диаметр хвостового конуса-трансформера (18) (фиг. 1, фиг. 3). То же самое происходит и с головным конусом-трансформером (17). Этот момент определяется по скачку давления нагнетаемой жидкости. Затем при помощи подъемника (не показан) трубчатая тяга (мандрель) (15) начинает движение вверх, производя основной процесс расширения пластыря (2) или его секционной сборки, который длится до тех пор, пока расширяющая оправка (сдвоенный конус-трансформер) (4) не пройдет всю его длину. При этом в случае отказа противовозвратного механизма (8) ограничительная втулка (10) становится враспор между заплечиком мандрели (15) и противовозвратным механизмом (8), разгружая пружину (9) и предохраняя ее от заневоливания и поломки. В процессе расширения пластыря (2) деблокирующий механизм (14) служит фиксатором для корпусов (19) и (22) обоих конусов-трансформеров и в процессе расширения пластыря (2) не участвует. В аварийной ситуации, например при заклинивании расширяющей оправки (4), сбрасывают давление жидкости, оставляя натяг на колонне НКТ, затем резьбовой переводник (16) при помощи колонны НКТ поворачивают по резьбе на несколько оборотов, например, против часовой стрелки, при этом, поскольку расширяющая оправка (4) заклинена, конические корпуса (19) и (22) обоих конусов-трансформеров и соединенная с ним шлицами мандрель (15) также заклинены. В результате торец переводника (16) перемещается в осевом направлении (вверх) на расстояние, достаточное для освобождения z-образных лапок (фиг. 1), которые в свою очередь освобождают конические корпуса (19) и (22) конусов-трансформеров для осевого перемещения вдоль мандрели (15). Далее устройство поднимают наверх, при этом за счет сил трения о стенки пластыря (2) в месте образовавшихся сужений конусообразные сегменты (20) и (23) выдавливаются к вершинам конических корпусов (19) и (22) обоих конусов-трансформеров, т.е. от периферии к центру, при одновременном движении последних вверх вдоль мандрели (15). В результате расширяющая оправка (4) в виде сдвоенного конуса-трансформера возвращается к исходным диаметральным габаритам, что позволяет извлечь устройство в случае возникновения аварийной ситуации. Блок силовых манжет (7) за счет эластичности сужается и не препятствует извлечению устройства из нерасширенной части пластыря.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет получить устройство для ремонта обсадных и эксплуатационных колонн при помощи сдвоенного конуса-трансформера, 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.