МУФТА ДЛЯ СТУПЕНЧАТОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Предлагаемая полезная модель предназначена для использования в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использована для разобщения пространства между обсадной колонной и открытым стволом скважины при цементировании обсадных колонн в две стадии нефтяных и газовых скважин.
Известна «Муфта ступенчатого цементирования обсадной колонны» (патент ПМ RU №48574, МПК Е21В 33/14, Е21В 33/13, опубл. 27.10.2005 Бюл. №30), включающая корпус с радиальными цементировочными отверстиями, кожух-втулку, расположенный с наружной стороны корпуса и образующий с ним кольцевую полость, дополнительную втулку, находящуюся в этой полости и соединенную с корпусом срезными элементами, радиальные каналы в корпусе, сообщающие кольцевую полость с внутренним пространством корпуса, отличающаяся тем, что корпус снизу дополнительно оснащен широкой муфтой, обеспечивающей широкий кольцевой зазор, а кожух-втулка соединен с корпусом жестко, причем дополнительная втулка снабжена радиальными каналами, сообщающими через цементировочные отверстия внутреннее пространство корпуса с заколонным пространством скважины в момент промывки и закачки цементного раствора второй ступени, при этом внутри корпуса с зазором установлен заглушенный снизу хвостовик, имеющий выше заглушки радиальные отверстия, сообщающие внутреннее пространство хвостовика с межтрубным пространством, причем хвостовик ниже радиальных отверстий с наружной стороны снабжен последовательно сверху вниз цилиндрической выборкой, в которой расположен разделитель в виде набора металлических шайб и установленных между ними пластинчатых эластичных манжет, выполненных по внутреннему диаметру корпуса, и замковым механизмом, выполненным с возможностью фиксации относительно корпуса хвостовика при его перемещении вниз, при этом хвостовик выполнен сборным, состоящим из верхней и нижней частей, телескопически и герметично установленных друг в друга с возможностью осевого перемещения навстречу друг другу, причем верхняя и нижняя части хвостовика оснащены соответственно верхним и нижним упорами, между которыми установлена эластичная манжета, с возможностью перекрытия внутреннего пространства корпуса выше радиальных цементировочных отверстий корпуса.
Недостатками данного устройства является сложность и дороговизна изготовления и использования, связанная с большим количеством конструктивных элементов и технологических операций, при этом отсутствие заколонного пакера, приводит к тому, что перед закачкой второй ступени цементного раствора требуется технологическая выдержка (от 5 до 24 часов) для «схватывания» (предварительного отверждения) цементного раствора первой ступени.
Известен также «Способ селективной изоляции продуктивного пласта при цементировании первой ступени обсадной колонны» (патент RU №2379475, МПК Е21В 33/14, опубл. 20.01.2010 Бюл. №2), включающий спуск в скважину обсадной колонны, оборудованной клапанами с установкой их на уровне подошвы продуктивного пласта, закачивание цементного раствора в затрубное пространство обсадной колонны и закачивание через клапана в продуктивный пласт изолирующего раствора, отличающийся тем, что над кровлей продуктивного пласта устанавливают пакерующий узел с управляющим давлением установки, меньшим, чем давление открытия у клапанов, и муфту ступенчатого цементирования, а в качестве изолирующего раствора используют высоковязкую эмульсию с углеводородной жидкостью в качестве дисперсионной среды и водой в качестве дисперсной фазы, которая закачивается в пласт после раскрытия пакерующего узла и закрепляется цементным раствором, продавливаемым технологической жидкостью с объемом, обеспечивающим оставления цементного моста перекрывающего клапана, через которые происходило закачивание.
Данный способ включает в себя устройство для селективной изоляции, включающую в себя гидромеханический пакер, устанавливаемый на уровне подошвы продуктивного пласта, размещенный ниже заливной пружинный клапан с давлением открытия больше, чем регулируемое давление установки пакера, и установленная выше пакера муфта ступенчатого цементирования, открывающаяся от бросаемой с устья цементировочной пробки после затвердевания цемента в первой ступени.
Недостатками данного устройства является сложность и дороговизна изготовления и использования, связанная с использованием конструктивных узлов различных производителей и технологических операций, требующих настройки под различное давление срабатывание, что может привести несанкционированной сработке узлов из-за скачков и перепадов давления на локальных участках, при этом наличие не перекрываемого после закачки первой ступени заливного клапана приводит к тому, что перед закачкой второй ступени цементного раствора требуется технологическая выдержка (от 5 до 24 часов) для «схватывания» (предварительного отверждения) цементного раствора первой ступени при этом большая вероятность образования пустот из-за большого расстояния между пакером и заливными отверстиями второй ступени.
Наиболее близкой является «Муфта для ступенчатого цементирования обсадной колонны» (патент RU №2243359, МПК Е21В 33/14, опубл. 27.12.2004 Бюл. №36), включающая корпус с радиальными цементировочными отверстиями, кожух-втулку, расположенный с наружной стороны корпуса и образующий с ним кольцевую полость, дополнительную втулку, находящуюся в этой полости и соединенную с корпусом срезными элементами, радиальные каналы в корпусе, соединяющие нижнюю часть кольцевой полости с внутренним пространством корпуса и уплотнительные кольца, отличающаяся тем, что кожух-втулка соединен с корпусом жестко, а дополнительная втулка снабжена радиальными каналами, соединяющими через цементировочные отверстия внутреннее пространство корпуса с заколонным пространством скважины в момент промывки и закачки цементного раствора второй ступени; снабжена шибером, установленным внутри корпуса и соединенным срезными элементами с опорной втулкой, упирающейся в верхний торец корпуса, причем последний выполнен с кольцевым уступом, расположенным на внутренней поверхности ниже цементировочных отверстий.
Недостатками данного устройства отсутствие заколонного пакера, что приводит к тому, что перед закачкой второй ступени цементного раствора требуется технологическая выдержка (от 5 до 24 часов) для «схватывания» (предварительного отверждения) цементного раствора первой ступени, при этом большая вероятность образования пустот из-за поглощения цементного раствора первой ступени продуктивным или принимающим пластом, снижая уровень цементоного раствора, а вторая ступень начинается с уровня цементировочных отверстий.
Технической задачей предполагаемой полезной модели является создание конструкции муфты для ступенчатого цементирования обсадной колонны, позволяющей сразу после закачки первой ступени закачивать вторую ступень цементного раствора без образования пустот между ступенями благодаря наличию заколонного пакера, разделяющего закаченные в затрубье первую и вторую ступени.
Техническая задача решается муфтой для ступенчатого цементирования обсадной колонны, включающей полый корпус с цементировочными отверстиями, кожух-втулку, расположенную с наружной стороны корпуса, и образующий с ним кольцевую полость, сообщенную с внутренним пространством корпуса, дополнительную втулку, находящуюся в этой полости и соединенную с корпусом, срезные элементы, уплотнительные кольца, радиальные каналы, соединяющие через цементировочные отверстия внутреннее пространство корпуса с заколонным пространством скважины после разрушения срезных элементов и смещения кожуха втулки относительно дополнительной втулки в момент промывки и закачки цементного раствора второй ступени, шибер с опорной втулкой, установленный внутри корпуса выше цементировочных отверстий и выполненный с возможностью перемещения вниз до кольцевого упора корпуса после отсоединения от опорной втулки с герметичным перекрытием цементировочных отверстий.
Новым является то, что радиальные каналы выполнены в кожух-втулке, кольцевая полость сообщена внутренним пространством корпуса цементировочными отверстиями, а дополнительная втулка жестко соединена с корпусом и снабжена наружными кольцевыми проточками, при этом корпус ниже кожух-втулки снабжен манжетным уплотнителем, нижний конец которого закреплен относительно корпуса, причем срезные элементы соединяют дополнительную втулку с кожух-втулкой, установленной с возможностью продольного перемещения после разрушения срезных элементов и снабженной изнутри стопорным кольцом, взаимодействующим с наружными проточками дополнительной втулки для фиксации в рабочем положении, при котором цементировочные отверстия корпуса сообщены с радиальными каналами кожуха-втулки, нижний торец которой изготовлен в виде полого конуса, который выполнен с возможностью входа внутрь манжетного уплотнителя с герметичным прижатием его к стенкам скважины при перемещении вниз кожуха-втулки, при этом внутри шибера зафиксирован разрушаемыми элементами упор под жесткую шайбу цементировочной втулки второй ступени, причем разрушаемые элементы рассчитаны на разрушение при большей нагрузке, чем соединения шибера с опорной втулкой.
На чертеже представлена схема муфты.
Муфта для ступенчатого цементирования включает в себя полый корпус 1 с цементировочными отверстиями 2, кожух-втулку 3 с радиальными каналами 4, закрепленную срезными элементами 5 с наружной стороны корпуса 1, и образующий с ним кольцевую полость 6, сообщенную с внутренним пространством корпуса 1 цементировочными отверстиями 2, дополнительную втулку 7, находящуюся в этой полости 6 и жестко соединенную (поджатой муфтой 8 корпуса 1, резьбой, сваркой или т.п. - не показано) с корпусом 1, шибер 9 с наружной опорной втулкой 10 и внутренним упором 11, установленный внутри корпуса 1 выше цементировочных отверстий 2 и выполненный с возможностью перемещения вниз до кольцевого упора 12 (кольцевой упор 12 может быть выполнен в виде конуса) корпуса 1 после отсоединения (разрушения срезных штифтов 13, сдвига прессовой посадки или т.п. - не показано) от опорной втулки 10 с герметичным перекрытием цементировочных отверстий 2. Дополнительная втулка 7 снабжена наружными кольцевыми проточками 14 (или мелкой резьбой, играющей ту же роль). Корпус 1 ниже кожух-втулки 3 снабжен манжетным уплотнителем 15, нижний конец которого закреплен (упором 16, клеем, обжимным кольцом и т.п. - не показано) относительно корпуса 1. Кожух-втулка 3 установлена на корпусе 1 с возможностью продольного перемещения вниз после разрушения срезных элементов 5 и снабжена изнутри стопорным кольцом 17, взаимодействующим с наружными проточками 14 дополнительной втулки 7 для фиксации в рабочем - нижнем положении, при котором цементировочные отверстия 2 корпуса 1 сообщены с радиальными каналами 4 кожуха-втулки 3 через кольцевую полость 6. Нижний торец кожуха-втулки 3 изготовлен в виде полого конуса 18, который выполнен с возможностью входа внутрь манжетного уплотнителя 15 сверху с герметичным прижатием его к стенкам скважины (не показаны) при перемещении вниз кожуха-втулки 3. Упор 11 зафиксирован внутри шибера 9 разрушаемыми элементами 19, которые рассчитаны на разрушение при большей нагрузке, чем соединения шибера 9 с опорной втулкой 10, которая фиксируется относительно корпуса 1. Кольцевой упор 12 выполнен в виде внутреннего сужения корпуса 1, в том числе и конусного. Для исключения несанкционированных перетоков жидкости муфта снабжена уплотнительными кольцами 20.
Устройство работает следующим образом.
Перед спуском обсадной колонны определяют интервал установки муфты (выше продуктивного пласта, нарушения, поглощения или т.п. - не показан) в твердых породах без каверн. Муфту в составе обсадной колонный 21 (показана условно) спускают в интервал установки. Производят цементирование первой ступени - заколонного пространства обсадной колонны 21 выше незначительно (по расчетам на 10-30 м) муфты. После того как разделительная пробка первой ступени (не показана), пойдя через муфту, сядет в посадочное кольцо (не показаны), в обсадной колонне труб 21 начинает расти давление, передающееся через цементировочные отверстия 2 корпуса 1 в кольцевую полость 6. Кожух-втулка 3 после разрушения срезных элементов 5 перемещаться вниз - в сторону манжетного уплотнителя 15 и своим конусом 18, входящим внутрь манжетного уплотнитель 15, герметично прижимая его к стенкам скважины - рабочее положение. При этом стопорное кольцо 17, перемещаясь по наружным проточкам 14 дополнительной втулки 7, фиксирует кожух-втулку 3 в рабочем положении, а радиальные каналы 4 начинают сообщаться с кольцевой полостью 6. При этом давление внутри обсадной колонны 21 упадет и начнется циркуляция продавочной жидкости из обсадной колонны 21 через цеменировочные отверстия 2 корпуса 1, кольцевую полость 6, и радиальные каналы 4 кожуха-втулки 3 с заколонным пространством (не показано) вымывая излишки цемента выше радиальных каналов 4. После чего закачку прекращают. Так как кожух-втулка 3 с конусом 18 находится внутри манжетного уплотнения 15, то разгерметизации заколонного пространства не может быть даже при незначительном нарушении целостности манжетного уплотнения 15. Для работы в глубоких скважинах с интервалом установки более 1000 м упор 16 уплотнения 15 может снабжаться сверху расширяемой юбкой 22 с продольными и наклонными разрезами (не показаны) для армирования уплотнения 15 после расширения. После вымывания остатков цементного раствора первой ступени, не дожидаясь схватывания цементного раствора, приступают к закачке второй ступени для герметизации заколонного пространства обсадной колонны 21 выше муфты, предварительно снабдив цементировочную пробку второй ступени 23 жесткой шайбой 24. Цементный раствор закачивается из обсадной колонны 21 через цеменировочные отверстия 2 корпуса 1, кольцевую полость 6, и радиальные каналы 4 кожуха-втулки 3 в заколонное пространство. После того как разделительная пробка второй ступени 23, сядет в шибер 9, а шайба 24 начнет взаимодействовать с упором 11, в обсадной колонне труб 21 начинает расти давление до отсоединения шибера 9 от опорной втулки 10 (например, при разрушении срезных штифтов 13). После чего под действием избыточного давления внутри обсадной колонны 21 шибер 9 перемещается вниз до упора в кольцевой упор 12, герметично перекрывая изнутри цементировочные отверстия 2 корпуса 1, исключая переток цементнрого раствора внутрь обсадной колонны 21, что фиксируется резким скачком деления на устье скважины. После чего закачку прекращают. После снятия давления внутри обсадной колонны 21, перепад давлений снаружи и внутри обсадной колонны 21 из-за разности плотностей цементного раствора снаружи и продавочной жидкости внутри воздействует через радиальные отверстия 4 на кожух-втулку 3, которая прижимает дополнительно конусом 18 манжетное уплотнение 15 к стенкам скважины, обеспечивая надежное разделение цементного раствора первой и второй ступени в заколонном пространстве обсадной колонны 21 выше и ниже уплотнения 15 соответственно до схватывания цементного раствора, исключая полностью передачу давления цементного раствора второй ступени на первую и образования пустоты между ними, связанную с поглощением пластом цементного раствора первой ступени. После отверждения цементного раствора цементировочную пробку второй ступени 23 и упор 11 (изготовлен из чугуна или дюралюминия) разбуривают. Для облегчения отсоединения упора 11 от шибера 9 достаточно разрушить элементы 19. А для исключения вращения шибера 9 при разбуривании упора 11, его снизу снабжают ответным конусом 25 под конус кольцевого упора 12 с углом меньшим, чем угол заклинивания (для стали - 12°).
Предлагаемая конструкция муфты для ступенчатого цементирования обсадной колонны позволяет сразу после закачки первой ступени закачивать вторую ступень цементного раствора без образования пустот между ступенями благодаря наличию в конструкции заколонного пакера, разделяющего закаченные в затрубье первую и вторую ступени, что значительно упрощает работу, экономит время ступенчатого цементирования и, как следствие, удешевляет данную операцию.