ПРУЖИННЫЙ ЦЕНТРАТОР

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к области строительства нефтяных и газовых скважин, и может быть использована для центрирования муфтовых и безмуфтовых обсадных колонн нефтяных и газовых скважин любых типов.
Известен пружинный центратор, содержащий корпус с концевыми частями в виде колец и центрирующими ребрами, соединенными точечной контактной сваркой (патент РФ на полезную модель №20923, МПК E21B 17/10, опубл. 10.12.2001).
Недостаток известного центратора заключается в низкой надежности крепления центрирующих ребер и высокой трудоемкости изготовления, что ограничивает его применение.
Известен упругий центратор, содержащий цельный корпус с центрирующими ребрами, соединенными с концевыми частями в виде колец, каждое из которых имеет несколько сварных соединений, причем в проекции на горизонтальную плоскость указанные ребра расположены по касательной к кольцам (патент GB 2201176, МПК E21B 17/10, опубл. 19.02.1988, фиг. 9, 10, 11, 20).
Центратор обладает низкой надежностью и эффективностью центрирования обсадной колонны, особенно на искривленных участках скважины в связи с несимметричностью конструкции.
Известен упругий центратор, содержащий цельный корпус с центрирующими ребрами, непрерывно соединенными с концевыми частями в виде колец, каждое из которых имеет несколько (от четырех до шести) сварных линейных соединений с длиной шва, равной высоте кольца (патент EP 2294277, МПК E21B 17/10, опубл. 16.03.2011 г.).
Известный центратор сложен по конструкции, применим преимущественно на муфтовых обсадных трубах. Высокая трудоемкость изготовления приводит к повышению стоимости, что ограничивает применение центратора. Центратор не обеспечивает безопасность применения в связи с тем, что имеется большое количество напряженных сварных швов и консольно выступающих деталей.
Известен центратор, содержащий составной корпус с центрирующими ребрами в виде упругих дугообразных планок, непрерывно соединенными с концевыми частями, соединенными сварочными швами в верхнее и нижнее кольца с образованием между ними сквозных бочкообразных пазов для замещения бурового раствора тампонажным (патент GB №2465587, E21B 17/10, публ. 26.05.2010 г.).
Недостатком известного устройства является большое количество сварных швов, наличие дополнительного кольца с элементами его фиксации на колонне в средней части центратора.
Известен центратор в форме фонаря, содержащий корпус с центрирующими ребрами в форме упругих дугообразных планок, распределенных вдоль его оси и соединенных с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец, причем отношение его высоты к ширине не более 1,5 (патент CN 102913147, МПК E21B 17/10, публ. 06.02.2013 г.).
Недостатками известного устройства является то, что форма и размеры окон в центраторе не оптимизированы для прохождения цемента без заторов при цементировании обсадных колонн.
Известен центратор в форме фонаря, содержащий цельный корпус с центрирующими ребрами в виде упругих дугообразных планок, распределенных по спирали вдоль его оси и непрерывно соединенных с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец, каждое из которых выполнено с одним сварочным швом с образованием между ними щелеообразных скругленных наклонных окон для замещения бурового раствора тампонажным при цементировании обсадной колонны, причем он снабжен поясом из низкоуглеродистой тонкой стальной полосы для приведения центратора в рабочее состояние (полезная модель CN 203430438, МПК E21B 17/10 публ. 12.02.2014).
Наличие тонкой стальной полосы усложняет изготовление центратора, а также его эксплуатацию из-за необходимости удаления указанной полосы. Образование наклонных окон между кольцами не обеспечивает надежность и оперативность замещения бурового раствора тампонажным из-за неоптимальной высоты проходного сечения пазов относительно диаметра центратора.
Известен центратор, содержащий корпус с центрирующими ребрами в виде упругих дугообразных планок, соединенных с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец, блокированных стопорными кольцами (US 8662166, МПК E21B 17/10, публ. 04.03.2014 г.).
Недостатками данного устройства являются:
- сложность изготовления и высокая стоимость центратора, обусловленная большим количеством деталей в конструкции, в том числе стопорных колец;
- высокая трудоемкость монтажа центратора на колонне труб.
Известен упругий центратор, содержащий цельный корпус с центрирующими ребрами в виде упругих дугообразных планок, непрерывно соединенными с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец, выполненных с одним сварочным швом длиной, равной высоте соответствующего кольца, с образованием сквозных вытянутых П-образных окон с для замещения бурового раствора тампонажным (US 3312285, МПК E21B 17/10, публ. 04.04.1967 г.).
Форма и размеры окон в центраторе не оптимизированы для улучшения качества цементирования обсадных колонн, так как не исключена возможность заторов цемента при неравномерном его проходе в зазоре между обсадной трубой и стенками скважины и появление заколонных межпластовых перетоков.
Наиболее близким по назначению, конструкции и применяемым элементам является упругий центратор, содержащий цельный корпус с центрирующими ребрами в виде упругих дугообразных планок, непрерывно соединенными с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец, выполненных с одним сварочным швом длиной, равной высоте соответствующего кольца, с образованием сквозных вытянутых скругленных окон для замещения бурового раствора тампонажным, причем отношение его высоты к ширине не менее чем 2:1 (RU №2430234, МПК E21B 17/10, публ. 27.09.2011 г.).
Вероятность разрушения центратора в процессе спуска его в скважину мала из-за отсутствия множества сварных соединений в кольцах. Форма окон в центраторе скруглена для улучшения качества цементирования обсадных колонн. Однако длина сварочного шва и размеры окон не оптимизированы для исключения возможности неравномерного прохода цемента в зазоре между обсадной трубой и стенками скважины и появления заколонных межпластовых перетоков. Центратор сложен в изготовлении из-за применения заклепок под фиксаторы, что снижает надежность его работы и не исключает возможность его разрушения в процессе спуска.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности работы центратора за счет исключения возможности неравномерного прохода цемента в нем, снижения нагрузок на центратор, улучшения условий его эксплуатации и исключения его деформации и разрушения при замещении бурового раствора тампонажным. Кроме того, обеспечено снижение стоимости изготовления центратора за счет упрощения его конструкции и снижения материалоемкости.
Технический результат достигается тем, что в пружинном центраторе, содержащем цельный корпус с центрирующими ребрами в виде упругих дугообразных планок, непрерывно соединенных с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец, выполненных с по меньшей мере одним сварочным швом с образованием сквозных пазов между наружными торцевыми поверхностями указанных колец таким образом, что высота сквозных пазов превышает высоту между линиями изгиба упругих дугообразных планок от верхнего и нижнего колец, и фиксатор для его крепления на обсадной колонне через резьбовые отверстия в нижнем кольце, высота колец от указанных линий изгиба превышает длину сварочного шва не менее чем в 1,3 раза.
Каждый сквозной паз предпочтительно выполнить с радиусным скруглением на верхнем и нижнем кольцах.
Высота сквозного паза превышает высоту между соответствующими линиями отгиба упругой дугообразной планки от верхнего и нижнего колец на величину не менее 2R, где R - радиус скругления пазов на указанных кольцах.
Фиксаторы для крепления центратора на обсадной колонне выполнены в виде винтов с острой режущей кромкой на одном торце и квадратным отверстием под монтажный инструмент на другом его торце.
В винтах квадратное отверстие под монтажный инструмент выполнено со стороной длиной от 5 до 7 мм.
Сущность полезной модели в оптимизации длины сварочного шва, формы и размеров окон в центраторе для улучшения равномерности прохода цемента через центратор с исключением возможности его заторов при цементировании обсадных колонн, что улучшает оперативность и качество цементирования обсадных колонн.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
На фиг. 1 представлен пружинный центратор для обсадных колонн (в разрезе) со стороны сварочного шва. На фиг. 2 представлен пружинный центратор для обсадных колонн (в разрезе) с обратной стороны. Фиг. 3 изображает увеличенное сечение A-A центратора на фиг. 2 (с отверстиями с резьбой в нижнем кольце). На фиг. 4 показан фиксатор пружинного центратора на обсадной трубе (в разрезе). На фиг. 5 изображен фиксатор для крепления пружинного центратора на обсадной трубе (вид слева). На фиг. 6 показано соединение фиксатора с резьбой отверстия в центраторе на фиг. 1.
На фиг. 1-6 приняты следующие обозначения:
1 - нижнее кольцо (корпуса);
2 - верхнее кольцо (корпуса);
3 - центрирующие ребра (в форме упругих дугообразных планок);
4 - сварочный шов;
5 - сквозные пазы;
6 - нижняя линия отгиба центрирующего ребра 3 от нижнего кольца 1;
7 - верхняя линия отгиба центрирующего ребра 3 от верхнего кольца 2;
8 - сквозные отверстия с резьбой (в нижнем кольце 1 корпуса);
9 - резьба (в сквозных отверстиях 8 нижнего кольца 1 корпуса);
10 - фиксатор (в виде винта специальной конструкции для крепления центратора на обсадной трубе);
11 - резьба (в фиксаторе 10);
12 - режущая кромка (в фиксаторе 10);
13 - воронкообразное углубление (на торце фиксатора 10 для упора в обсадную трубу);
14 - квадратное отверстие (в фиксаторе 10);
R - радиусное скругление в сквозном пазу 5;
H - высота сквозного паза 5;
h - высота между нижними и верхними линиями 6, 7 отгиба центрирующего ребра 3;
S - высота верхнего и нижнего колец 1, 2 (от соответствующих линий 6, 7 отгиба центрирующего ребра 3);
L - длина сварочного шва;
β - угол внешнего скоса (в фиксаторе 10 для образования режущей кромки 12);
φ - угол скоса (в фиксаторе 10 для образования воронкообразного углубления 13).
Пружинный центратор (фиг. 1) для обсадных колонн включает выполненный из одной штампованной заготовки цельный корпус с концевыми частями в виде нижнего и верхнего колец 1, 2 и центрирующими ребрами 3, выполненными в форме упругих дугообразных планок заданного профиля и сечения, количество которых может быть от 4 до 16. Центрирующие ребра 3 непрерывно соединены с нижним и верхним кольцами 1, 2, т.е. выполнены как одно целое. При этом нижние и верхние кольца 1, 2 выполнены с по меньшей мере одним сварочным соединением, например, с вертикально расположенным линейным сварочным швом 4, выполненным любым известным методом, в том числе сваркой встык. Сварочный шов 4 выполнен с образованием сквозных пазов 5 между наружными торцевыми поверхностями указанных колец 1, 2. Каждый сквозной паз 5 предпочтительно выполнить с радиусным скруглением (R) на верхнем и нижнем кольцах 1, 2. Высота (H) каждого сквозного паза 5 (фиг. 2) превышает высоту (h) между нижними и верхними линиями 6, 7 отгиба центрирующего ребра 3 соответственно от верхнего и нижнего колец 1, 2 на величину не менее 2R, где R - радиус скругления сквозных пазов 5 на указанных кольцах 1, 2. Высота (S) верхнего и нижнего колец 1, 2 от указанных линий 6 изгиба превышает длину (L) сварочного шва 4 не менее чем в 1,3 раза.
На фиг. 1 представлен центратор с шестью центрирующими ребрами 3. По меньшей мере нижнее кольцо 1 имеет сквозные отверстия 8 с резьбой для установки фиксаторов 10 в виде винтов специальной конструкции.
Пружинные сварные центраторы изготавливаются из высококачественной листовой стали методом лазерного раскроя листа с последующей поэтапной обработкой полученной заготовки на листогибочных машинах. Автоматический лазерный раскрой листа позволяет получить отличную заготовку, не нуждающуюся в дополнительной механической обработке. Поэтапная обработка заготовок на листогибочных машинах обеспечивает высокую прочность и точность изделия. После чего осуществляют сварку верхнего и нижнего колец 1, 2 корпуса. Окончательная сварка и термообработка изделия позволяет добиться равнопрочности всей конструкции.
Пружинный центратор (фиг. 1) выполнен с креплением на обсадной трубе с помощью фиксаторов 10 (фиг. 4), известных из прототипа (патент РФ №2430234). Фиксаторы 10 выполнены в форме пустотелого стержня, имеющего внешнюю резьбу 11 для взаимодействия с внутренней резьбой 9 отверстий 8 (фиг. 3) и режущую кромку 12 на торце для упора в обсадную трубу. В фиксаторе 10 торец для упора в обсадную трубу выполнен с воронкообразным углублением 13, по большему диаметру которого выполнена режущая кромка 12 диаметром от 7 до 9 миллиметров, обеспечивающая надежное крепление центратора на обсадной трубе. Для образования режущей кромки 12 указанный торец имеет внешний скос под углом (β) от 25-35 градусов к оси фиксатора 10, и скос под углом (φ) 45-65 градусов для образования воронкообразного (конического) углубления 13. Фиксатор 10 выполнен с отверстием 14 прямоугольной формы (с длиной стороны от 5 до 7 мм) на другом его торце под инструмент (например, ключ) для ввинчивания его в отверстие 8 и имеет длину, обеспечивающую возможность выхода его торца с режущей кромкой 12 за пределы внутренней поверхности нижнего кольца 1 на расстояние (l) от 0,2 до 3 мм для упора в обсадную трубу. Фиксаторы 10 изготавливают из материала, в том числе стали, твердость которого больше, чем твердость материала обсадной колонны. На центраторах для обсадных колонн в зависимости от их диаметра устанавливаются от трех до двенадцати фиксаторов 10. Пустотелость фиксатора 10 способствует его «самоочищению» и снижению возможности засорения воронкообразного углубления 13 на торце фиксатора 10 в условиях эксплуатации центратора, что позволяет обеспечить высокую остроту режущей кромки 12 торца.
Пружинные центраторы предназначены для качественного центрирования обсадной колонны (из обсадных труб диаметром от 73 до 508 мм) в процессе ее цементирования и изготавливаются из высококачественной листовой стали. Центрирование обсадной колонны обеспечивается за счет заданных пружинных свойств центрирующих ребер 3 в виде дугообразных планок корпуса центратора.
Пружинные центраторы (фиг. 1) с креплением на обсадной трубе с помощью фиксаторов 10 работают следующим образом. Пружинный центратор устанавливают на обсадную трубу в заданном месте. Закрепляют нижнее кольцо 1 пружинного центратора. Вставляют четырехгранный ключ в соответствующее квадратное отверстие 14 фиксатора 10 и делают несколько оборотов, завинчивая их в отверстия 8 до врезания острой режущей кромки 12 в материал обсадной трубы. Переставляют ключ к отверстию 8 следующего фиксатора 10. Таким образом, проводят равномерное заворачивание всех фиксаторов 10. Выполнение фиксатора 10 пустотелым с острой режущей кромкой 12 позволяет надежно фиксировать центратор на обсадной безмуфтовой колонне. Верхнее кольцо 2 не фиксируется. Пружинные центраторы спускают вместе с колонной труб в участок скважины, где требуется обеспечить цементирование. При спуске обсадной колонны пружинные планки деформируются, и сила их упругости устанавливает обсадную трубу по центру скважины.
Выполнение конструкции центратора с удлиненной обтекаемой формой и потайным соединением всех элементов его цельного корпуса позволяет осуществить спуск без посадок, т.е. обеспечить высокую проходимость, поскольку центратор при спуске перемещается, как бы скользя в скважине.
Применение центраторов позволяет получить равномерный зазор между обсадной трубой и стенками скважины, что исключает возможность появления межпластовых перетоков (полная изоляция цементным камнем, без разрывов), а значит, существенно продлевает срок службы скважины. Возможно применение предлагаемых центраторов в скважинах с интенсивностью искривления ствола скважины более 5 градусов на 10 метров. Кроме того, малая ширина и профиль центрирующих ребер, а также предлагаемая форма и размеры окон обеспечивают наиболее полное замещение бурового раствора цементным в затрубном пространстве на всей его длине без заторов цемента.
Предлагаемый пружинный центратор имеет низкую стоимость, простую безопасную конструкцию, а также высокую эффективность работы в скважинах любого типа, в том числе с искривленным профилем, так как качественное центрирование исключает возможность прилегания труб к стенкам ствола скважины. Центратор и его фиксатор на обсадной трубе имеют оптимальную металлоемкость, обеспечивают создание равномерного цементного кольца вокруг обсадной трубы.
Преимуществом заявляемого центратора является повышение качества цементирования обсадных колонн за счет получения равномерного прохода цемента в нем и в зазорах между обсадной трубой и стенками скважины, что исключает возможность появления заколонных межпластовых перетоков. Центратор прост в изготовлении, имеет низкую стоимость за счет снижения материалоемкости его конструкции и высокую надежность работы благодаря исключению его разрушения в процессе спуска.