Муфта ступенчатого цементирования
STEP CEMENTING SLEEVE

Изобретение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, в частности к устройству - муфте ступенчатого цементирования (МСЦ), которая может быть применена для предотвращения поглощения цементного раствора в вышезалегающих горизонтах, представленных высокопроницаемыми коллекторами при креплении обсадных колонн.
Известно устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее корпус с промывочными окнами, подвижные втулки, закрывающие и открывающие промывочные окна, цементировочные пробки и уплотнительные элементы (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №1618871 «Устройство для ступенчатого цементирования обсадных колонн», МПК Е21В 33/14, опубл.21.06.1988).
Известное устройство содержит разбуриваемую оснастку, включающую подвижные втулки, пробки и детали обратного клапана. Необходимость нормализации (разбуривания) элементов оснастки после окончания цементирования увеличивает время и трудозатраты на нормализацию ствола скважины и является недостатком известного устройства.
Недостатками известного устройства является сложная конструкция, связанная с необходимостью спуска управляющего механизма на бурильных трубах, что влечет за собой необходимость переоборудования устья скважины, а также установку двух превенторов с плашками под буровую и обсадную трубу.
Известно устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее корпус с промывочными окнами, подвижные втулки, закрывающие и открывающие промывочные окна, цементировочные пробки и уплотнительные элементы (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №541023 «Муфта для двухступенчатого цементирования скважин», МПК Е21В 33/14, опубл.30.12.1976).
Известное устройство выполнено с разбуриваемой оснасткой, включающей втулку, седла, штифты, упоры и пробки, изготавливаемые из алюминиевых сплавов или серого чугуна. Необходимость нормализации (разбуривания) элементов оснастки после окончания цементирования увеличивает время и трудозатраты на нормализацию ствола скважины и является недостатком известного устройства.
Гидравлические полости не защищены от попадания цементного раствора при цементировании первой ступени, что препятствует закрытию промывочных окон.
Кроме того в известном устройстве невозможно закрыть промывочные окна при возможных сбоях (осложнениях) в процессе цементирования и тем самым оставить колонну негерметичной, что снижает надежность в работе.
Известное устройство не имеет возможности разборки после испытания на поверхности, гидравлические полости и каналы не защищены от попадания цементного раствора, поэтому оно ограничено в использовании.
Известно устройство для ступенчатого цементирования скважин, принятое в качестве прототипа, включающее корпус с промывочными отверстиями, подвижные втулки, закрывающие и открывающие промывочные окна, цементировочные пробки и переводники (см. описание изобретения к авторскому свидетельству №486131 «Устройство для двухступенчатого цементирования хвостовиков», МПК Е21В 33/14, опубл.30.09.1975 г.)
Известное устройство выполнено с разбуриваемой оснасткой, включающей втулку, обратный клапан, состоящий из запорного элемента, направляющей и пружины, упорную гайку и пробку изготавливаемые из алюминия, а штифты - из бронзы. Необходимость нормализации (разбуривания) элементов оснастки после окончания цементирования увеличивает время и трудозатраты на нормализацию ствола скважины и является недостатком известного устройства.
Известное устройство имеет сложную конструкцию, не имеет возможности разборки после испытания на поверхности, гидравлические полости и каналы не защищены от попадания цементного раствора, поэтому ограничены в использовании.
Основным недостатком известного устройства является невозможность закрыть промывочные окна при возможных сбоях (осложнениях) в процессе цементирования и тем самым оставить колонну негерметичной.
Известное устройство не имеет возможности использовать продавочные пробки при цементировании первой ступени, а наличие большого количества незащищенных гидравлических полостей, которые при цементировании первой ступени будут заполнены цементным раствором, делает невозможным цементирование второй ступени.
Технической задачей и результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности в работе за счет обеспечения герметичности обсадной колонны, срабатывания предлагаемой МСЦ при любых осложнениях, возникающих во время цементирования и исключения попадания цементного раствора внутрь гидравлической полости МСЦ путем последовательного срабатывания втулок и гарантированного закрытия промывочных окон в корпусе, достигаемого за счет возможности разрушения посторонних предметов, попадающих в промывочные окна корпуса при закачке цементного раствора второй ступени, фиксации закрывающей втулки от проворота относительно корпуса и надежного ее срабатывания за счет наличия ниши, заполненной тугоплавкой смазкой, исключающей эффект гидравлического замка, а также уменьшение времени и трудозатрат на нормализацию ствола скважины путем исключения необходимости нормализации (разбуривания) оснастки.
Технический результат достигается тем, что муфта ступенчатого цементирования (МСЦ) включает корпус с промывочными окнами, оснастку, включающую подвижные втулки, закрывающие и открывающие промывочные окна, а также цементировочные пробки, переводники и уплотнительные элементы, при этом оснастка выполнена не разбуриваемая, состоящая из трех подвижных втулок, соосно установленных внутри корпуса МСЦ, с образованием полости в виде сквозного канала для прохождения цементировочных пробок, а именно проходной пробки, бомбы и пробки-бомбы, втулка вспомогательная предназначена для посадки пробки-бомбы при закрытии промывочных окон, втулка закрывающая промывочные окна корпуса после закачки цементного раствора при цементировании второй ступени, и получения момента «стоп» при сбросе бомбы, снабженная отверстиями диаметром, равным диаметру промывочных окон корпуса, и стопорным кольцом, фиксирующим ее от осевого смещения относительно корпуса, втулка открывающая промывочные окна, и втулка неподвижная, фиксируемая относительно корпуса резьбовым соединением, и предназначенная для посадки бомбы, причем втулка неподвижная выполнена с соосно расположенными на внешней ее поверхности гидравлическими каналами, соединенными с нишей, образуемой при установке втулок внутри корпуса при сборке МСЦ, и заполняемой тугоплавкой смазкой, исключающей попадание цементного раствора внутрь полости МСЦ и надежного срабатывания втулки, закрывающей промывочные окна, причем верхняя часть втулки неподвижной и нижняя часть втулки закрывающей промывочные окна выполнены с фигурными сопрягаемыми торцами (выступ - впадина) с возможностью предотвращения осевого проворачивания относительно корпуса, а торцовая поверхность промывочных окон корпуса и отверстий втулки, закрывающей промывочные окна, выполнена со скосом в виде ножей с возможностью разрушения посторонних предметов, попадающих в промывочные окна, и обеспечения гарантированного закрытия промывочных окон. Проходная пробка, бомба и пробка - бомба изготовлены из алюминия, при этом бомба залита внутри свинцом. Корпус соединен с верхним и нижним переводниками посредством резьбового соединения.
Для устранения (предотвращения) возможных осложнений в конструкцию МСЦ предлагается:
- закрыть нишу от попадания цементного раствора тугоплавкой смазкой, а для надежного срабатывания закрывающей втулки сделать гидравлические каналы 3-4 шт на внешней поверхности неподвижной втулки;
- выполнить со скосом (в виде ножей) торцовую поверхность промывочных окон в корпусе и отверстий в закрывающей втулке для гарантированного закрытия промывочных окон при перемещении закрывающей втулки относительно корпуса;
- закрывать промывочные окна при любом осложнении при цементировании усилием давления пробки - бомбы и, если этого давления не достаточно, промывочные окна закрыть разгрузкой инструмента на пробку - бомбу при нормализации ствола скважины;
- исключить (предотвратить) осевое проворачивание при дальнейших работах в скважине, выполнением втулки закрывающей и втулки неподвижной с фигурными сопрягаемыми торцами;
-ввести верхний и нижний переводники, позволяющие проводить испытания муфты на поверхности и снова ее разобрать-собрать.
Устройство для ступенчатого цементирования скважин иллюстрировано чертежами, где: на фиг. 1 изображено продольное сечение МСЦ в транспортном положении - прохождении проходной пробки первой ступени и сброс бомбы после получения момента «стоп» для открытия промывочных окон и отверстий закрывающей втулки; на фиг. 2 - промывка излишек цементного раствора после цементирования первой ступени, закачка цемента второй ступени и сброс пробки - бомбы; на фиг. 3 - посадка пробки-бомбы на вспомогательную и закрывающую втулки и получение момента «стоп», создание избыточного давления 4,0 - 6,0 МПа и закрытие промывочных окон; на фиг. 4 - закрытие промывочных окон, установка и фиксация закрывающей втулки стопорным кольцом и продавливание вспомогательной втулки.
Предлагаемая МСЦ для ступенчатого цементирования скважин состоит из цилиндрического корпуса 1 с радиально размещенными на цилиндрической поверхности промывочными окнами 2. Корпус 1 соединен резьбовым соединением с переводниками 3 и 4, верхним и нижним соответственно, для обеспечения возможности разборки-сборки после проведения испытаний МСЦ на поверхности или складского хранения (резьбовое соединение на чертеже не показано).
Внутри корпуса 1 соосно установлены три подвижные втулки, образующие полость в виде сквозного канала: вспомогательная втулка 5, закрывающая промывочные окна 2 втулка 6,открывающая промывочные окна 2 втулка 7, и одна неподвижная втулка 8, фиксируемая резьбовым соединением относительно корпуса 1 (резьбовое соединение на чертеже не показано).
Сквозной канал, образуемый втулками 5, 6, 7 служит для прохождения проходной пробки 9, а фиксирующая втулка 8 служит для посадки и фиксации втулки 6.
Верхняя часть фиксирующей втулки 8 и нижняя часть втулки 6 выполнены с фигурными сопрягаемыми торцами (выступ - впадина), совмещение которых предотвращает осевое проворачивание втулки 6 относительно корпуса 1 при дальнейших работах в скважине (выступ - впадина на чертеже не показаны).
Исполнение корпуса 1 с резьбой на концах, в которую вворачивают переводники 3 и 4, позволяет проводить разборку МСЦ после предварительного испытания на открытие -закрытие и герметичность МС Ц на поверхности.
Подвижные втулки 5, 6, 7 крепят относительно друг друга и корпуса 1 посредством штифтов 10, которые служат для срабатывания втулок 5, 6, и 7 в нужной последовательности.
Кроме того каждая втулка 5, 6 и 7 оснащена установленными на концах резиновыми кольцами 11, обеспечивающими герметичность втулок 5, 6 и 7 относительно друг друга и корпуса 1.
Втулка 6 содержит стопорное кольцо 12 для фиксации от осевого перемещения относительно корпуса 1 и отверстия 13, диаметр которых равен диаметру промывочных окон 2, для вымывания излишков цементного раствора при цементировании первой ступени скважины и закачки цементного раствора при цементировании второй ступени.
Втулка 6 предназначена для закрытия промывочных окон 2 корпуса 1 после закачки цементного раствора при цементировании второй ступени и получения момента «стоп» при сбросе бомбы 14. Верхний торец втулки 5 служит для посадки пробки-бомбы 15 при закрытии промывочных окон 2.
Проходная пробка 9, бомба 14 и пробка - бомба 15 изготовлены из алюминия, при этом только бомба 14 залита внутрь свинцом.
Ниша 16 в виде кольцевой полости, образуемая при сборке МСЦ, заполняемая тугоплавкой смазкой, предназначена для предотвращения попадания цементного раствора внутрь полости МСЦ.
На внешней поверхности втулки 8 на всю ее высоту выполнены 3-4 соосно расположенных гидравлических каналов 17, предназначенных для надежного срабатывания втулки 6 при ее движении вниз при закрытии промывочных окон 2, исключающих эффект гидравлического замка.
Торцовая поверхность промывочных окон 2 в корпусе 1 и отверстий 13 во втулке 6, взаимодействующих с ними при перемещении втулки 6 относительно корпуса 1, выполнена со скосом 18 и 19в виде ножей, соответственно обеспечивающих разрушение посторонних предметов, попадающих в промывочные окна 2, обеспечивая при этом гарантированное закрытие промывочных окон 2.
В качестве посторонних предметов попадающих в промывочные окна 2 при закачке цемента на второй ступени, могут быть, например, куски мешковины, проволоки, куски цемента.
МСЦ работает следующим образом.
Предварительно собранную МСЦ устанавливают в нужном интервале в компоновке обсадной колонны. Втулки 5 и 6 занимают исходное положение, при котором промывочные окна 2 и отверстия 13 совмещены и перекрыты втулкой 7.
После закачки цементного раствора первой ступени бросают проходную пробку 9 и закачивают продавочный раствор до получения момента «стоп». После получения момента «стоп» бросают бомбу 14. Бомба 14 садится на втулку 7, создается давление 4,0 - 6,0 МПа, при этом срезаются штифты 10, втулка 7 и бомба 14 смещаются вниз по колонне и открывают промывочные окна 2 и отверстия 13.
После открытия промывочных окон 2 восстанавливается циркуляция,
отмываются излишки цементного раствора за трубами второй ступени, после чего закачивают цементный раствор второй ступени. После закачки цементного раствора второй ступени бросают пробку - бомбу 1 5, которая вытесняет цементный раствор из обсадной колонны второй ступени, садится на вспомогательную втулку 5, получаем «стоп», создаем давление 10,0-15,0 МПа и втулкой 6 закрываем промывочные окна 2. Втулка 6 фиксируется от осевого перемещения относительно корпуса 1 стопорным кольцом 12, а от проворота фиксируется втулкой 8.
Таким образом, после окончания цементирования двух ступеней остается нормализованный ствол скважины в месте установки МСЦ, то есть, нет необходимости разбуривать вспомогательную оснастку (см. Фиг. 4).
В случае каких-либо осложнений при цементировании первой ступени, приводит к невозможности сброса бомбы 14 и необходимости держать скважину под давлением до окончания схватывания цемента. Это приводит к невозможности сброса проходной пробки-бомбы 15 и открытия-закрытия промывочных окон 2, т.е.ствол скважины остается не герметичным.
Осложнение возникает также при попадании посторонних предметов (кусок мешковины, проволока, кусок цемента) в промывочные окна при закачке цементного раствора второй ступени. При этом промывочные окна 2 невозможно закрыть созданием давления на пробку - бомбу 15.
Осложнение возникает также при оставлении шаблона при спуске обсадной колонны и застревание его в МСЦ. В этом случае невозможно управлять МСЦ и привести ее в рабочее состояние.
Существуют и другие осложнения при цементировании.
В предлагаемой конструкции при любом осложнении при цементировании закрывают промывочные окна 2, герметизируя ствол скважины. Если не достаточно усилия при создании давления на пробку - бомбу 15, промывочные окна 2 закрывают разгрузкой инструмента на пробку - бомбу 15 при нормализации ствола скважины.