ЦЕНТРАТОР ДЛЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Предложение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к техническим средствам наружной оснастки обсадной колонны, в частности к устройствам для центрирования обсадной колонны.
Известен центратор обсадной колонны (см. патент на полезную модель Р.Ф. №91101, МПК 7 Е21В 17/10, опубл. в Б.И. №3, 27.01.2010 г. под названием турбулизатор потока - центратор обсадной колонны.), содержащий корпус в виде кольца с наклонно расположенными центрирующими элементами полусфероидной формы, выполненными за одно целое с корпусом путем литья, и частично выступающие по его торцам. В корпусе выполнены отверстия для забивания односторонне выполненных стопорных клинов во внутренние его проточки, с помощью которых осуществляют закрепление центратора трубе обсадной колонны.
Его недостатком является:
- большой зазор между колонной и стволом скважины, что препятствует качественному центрированию обсадной колонны;
- использование стопорных элементов, не обеспечивающие надежное крепление центратора к трубам обсадной колонны. Были случаи сползания центратора с места установки при спуске колонны обсадных труб и прохождении через проблемные участки ствола скважины (уступы, сужения ствола, фильтрационная корка на проницаемых участках ствола, большой зенитный угол ствола скважины и др.). Например, при значениях зенитного угла ствола скважины более 45° усилие на центратор, закрепленного четырьмя стопорными клинами (в каждом из двух окон в корпусе по два клина) может достигать 9 тонн. Кроме того, он металлоемок.
Известен центратор обсадной колонны (см. патент Р.Ф. на полезную модель №124300, МПК Е21В 17/00, опубл. в Б.И. №2 20.01.2013 г. под названием турбулизатор потока - центратор обсадной колонны.), включающий корпус в виде кольца с центрирующими лопастями выпуклой формы, выполненными за одно целое с корпусом путем литья и наклоном влево, одновременно играющие, по мнению авторов и патентовладельца, роль турбулизаторов восходящего потока цементного раствора при креплении скважины, и стопорные элементы для закрепления его к наружной стенке труб обсадной колонны, для чего в корпусе выполнены конструктивные ответные элементы к ним.
Указанный центратор по технической сущности более близок к предлагаемому и может быть принят в качестве прототипа.
Его недостатком является то, что, выполненные с наклоном влево, турбулизирующие ребра могут вызвать в процессе спуска колонны, развинчивание наращенных труб по резьбовому соединению, под усилием радиальной составляющей и усилия трения, что может привести к аварийной ситуации. Кроме того, конструкция упомянутого центратора ввиду небольших размеров, а именно, ввиду небольшой ширины корпуса зачастую не обнаруживается геофизическими приборами при проверке качества цементирования скважины. Общим недостатком, как аналога, так и прототипа является то, что установленные наклонно центрирующие элементы не обеспечивают турбулизацию восходящего потока цементного раствора с достаточной эффективностью при креплении скважины в силу их конструктивных особенностей, что вызывает необходимость усиления турбулизирующих возможностей центратора, а также ненадежность крепления центратора к трубам обсадной колонны.
Технической задачей настоящей полезной модели является устранение недостатков прототипа, в частности повышение эффективности центрирования труб колонны и турбулизации восходящего потока цементного раствора, обеспечение повышенной проходимости центратора и самой колонны по стволу скважины.
Поставленная техническая задача решается описываемым центратором для обсадной колонны, включающим закрепляемый к трубе обсадной колонны стопорными элементами корпус в виде кольца с центрирующими элементами, выполненными за одно целое с корпусом путем литья, отстоящими друг от друга на равных расстояниях.
Новым является то, что центрирующие элементы выполнены ступенчато куполообразной формы, меньшая выполнена аналогично большей ступени куполообразной формы. При этом центраторы, устанавливаемые на трубах обсадной колонны напротив проблемных участков скважины могут быть снабжены турбулизирующими крыльями в виде пластин, выполненными за одно целое скорпусом ирасположенными в промежутках между большими ступенями с наклоном вправо, с шириной не более двух третей высоты большей ступени.
Новым является также и то, что центрирующие элементы могут быть выполнены в виде ступенчатых шаровых сегментов, или параболоидов, или в виде полнотелого усеченного конуса, меньшее основание которого выполнено с выпуклой поверхностью.
Другим отличием является также и то, что в качестве стопорных элементов для закрепления центратора к трубе обсадной колонны могут быть использованы срезной болт или полнотелый конусный клин, или односторонний плоский клин с зубчатыми насечками на наклонной его поверхности, или цанговое крепление, при этом соответственно в корпусе центратора выполнены отверстия с резьбой под срезной болт, внутренняя конусная расточка под полнотелый конусный клин, внутренние канавки, сообщенные с окном под односторонний плоский клин, и цанга, зажимаемая гайкой. Центраторы первой ведущей трубы спускаемую в скважину колонны можно снабжены дополнительно стопорным кольцом, устанавливаемым над или под центраторами для усиления сопротивляемости их к страгивающей нагрузке и тем самым предотвращения смещения их с места установки.
Представленные рисунки поясняют суть предлагаемой полезной модели, где на фиг. 1 изображен объемный вид предлагаемого центратора, где на поверхности корпуса видны ступенчато выполненные центрирующие элементы в виде шаровых сегментов;
на фиг. 2 - то же, что на фиг. 1, где меньшая ступень выполнена в виде полнотелого усеченного конуса, при котором меньшее основание его выполнено с выпуклой поверхностью, объемное изображение;
на фиг. 3 - то же, что на фиг. 1, где видны выполненные с наклоном вправо турбулизирующие крылья в виде пластин, ширина которых, не превышает двух третей высоты большей ступени, объемное изображение;
на фиг. 4 - то же, что на фиг. 1, где на одном из концов корпуса выполнена цанга, зажимаемая стопорной гайкой в виде кольца для закрепления центратора к наружной стенке трубы обсадной колонны, где видна также наружная резьба на сегментах цанги, объемное изображение;
на фиг. 5 - то же, что на фиг. 3, где на нижнем конце корпуса выполнена цанга, зажимаемая также стопорной гайкой в виде кольца при закреплении центратора к наружной стенке трубы обсадной колонны, объемное изображение;
на фиг. 6 - то же, что на фиг. 1, где видны элементы закрепления центратора к наружной стенке трубы обсадной колонны, на одном из концов корпуса выполнена внутренняя конусная расточка под цанговый конус, также видны отверстия с резьбами под болт для закрепления цангового конуса и корпуса центратора на трубе обсадной колонны, объемное изображение;
на фиг. 7 - то же, что на фиг. 1, где на одном из концов корпуса видны отверстия с резьбами для крепления центратора болтами к наружной стенке трубы обсадной колонны, объемное изображение;
на фиг. 8 - то же, что на фиг. 1, где на одном из концов корпуса видны окна для ввода стопорных односторонних клинов, объемное изображение;
на фиг. 9 - то же, что на фиг. 1, где видны элементы для закрепления центратора к наружной стенке трубы обсадной колонны, на одном конце корпуса видны окна для ввода односторонних стопорных клинов, а на другом его конце отверстия с резьбами под стопорные болты, также видно ограничительное стопорное кольцо установленное над центратором с отверстиями с резьбами под стопорные болты, объемное изображение;
на фиг. 10 - то же, что на фиг. 1, где видны ограничительные стопорные кольца, установленные на трубе обсадной колонны по обе стороны свободно установленного центратора;
на фиг. 11 - односторонний стопорный клин, вид сбоку;
на фиг. 12 - то же, что на фиг. 11, вид сверху по стрелке А на наклонную поверхность клина, где видны фиксирующие зубчатые насечки;
на фиг. 13 - фрагмент закрепления центратора к наружной стенке трубы обсадной колонны односторонними стопорными клинами;
на фиг. 14 - срезной стопорный болт с ослабленным сечением, вид сбоку;
на фиг. 15 - то же, что на фиг. 14, вид по стрелке Б;
на фиг. 16 - один из ступенчато выполненного центрирующего элемента центратора, вид спереди;
на фиг. 17 - одно из турбулизирующих крыльев в виде пластины центратора.
Центратор включает корпус 1 (см фиг. 1-10) в виде кольца с шириной не менее 100 мм со ступенчато куполообразной формой центрирующими элементами и могут быть выполнены в виде ступенчатых шаровых сегментов 2 и 3, или параболоидов, или в виде полнотелого усеченного конуса, меньшая ступень 3 которых выполнена аналогичной формы, что и большая ступень 2, или другой формы, например, в виде полнотелого усеченного конуса 4 (см. фиг. 2), причем меньшее основание его выполнено с выпуклой поверхностью 5. Центрирующие элементы выполнены за одно целое с корпусом из стали путем литья и отстоят друг от друга на равных расстояниях и в зависимости от диаметра колонны их количество может быть от 3-х до 6. Ширина корпуса величиной в 100 мм является оптимальной по результатам экспериментальных и опытно-промысловых работ, а более 100 мм увеличивает его металлоемкость, а при менее 100 мм в большинстве случаев не обнаруживается геофизическими приборами при проверке их на предмет возможного смещения с места установки и качества цементирования.
Выполнение центрирующих элементов куполообразной формы, в частности в виде ступенчатых шаровых сегментов продиктовано необходимостью улучшения проходимости центратора по стволу скважины, снижения страгивающих нагрузок на центраторы с места их установок, следовательно, и на колонну в суженных ее участках, где сохранились остатки глинистой корки, вызывающие аварийные ситуации. При этом упрощается технология изготовления, уменьшается металлоемкость, повышается эффективность турбулизации восходящего потока цементного раствора за счет строгой направленности турбулизирующих крыльев 6 (см. фиг. 3 и 5), расположенных между центрирующими элементами, что позволит существенно снизить толщину глинистой корки за счет абразивности цементного раствора. Поэтому центраторы с турбулизирующими крыльями устанавливают на трубах 7 обсадной колонны напротив проблемных участков ствола скважины, где имеются остатки глинистой корки.
Турбулизирующие крылья выполнены в виде пластин, расположенных в промежутках между большими ступенями с наклоном вправо и с высотой не более двух третей высоты большей ступени. Выполнение их высоты более двух третей приводит к увеличению металлоемкости. Они расположены с наклоном вправо и под углом 18-25° относительно образующей корпуса 1, при этом наклон в 20° является оптимальным, что обеспечивает усиление эффекта турбулизации. Эффективный диапазон в 18-25° установлен экспериментальными исследованиями, а расположение их с наклоном вправо предотвращает развинчивание наращенных труб по резьбовому соединению в процессе спуска колонны под усилием радиальной составляющей силы трения, а также от силы реакции восходящего потока, закручиваемого турбулизирующими крыльями 6.
Центраторы (см. фиг. 1 и 3) могут быть снабжены стопорными элементами различной конструкции в зависимости от выбора заказчика. На фиг. 4-8 приведены конструкции стопорных элементов, которые могут быть выполнены, например, в виде цанги 8 (см. фиг. 4 и 5) зажимаемой стопорной гайкой 9, конического цангового клина 10 (см. фиг. 6), для которого внутри корпуса выполнена коническая расточка 11, в виде одностороннего плоского стопорного клина 12 (см. фиг. 6) с фиксирующими зубчатыми насечками 13, расположенными вдоль его наклонной поверхности 14 (см. фиг. 11 и 12), при этом в корпусе выполнены внутренние канавки 15 (см. фиг. 13), сообщенные с окном 16 для забивания через него клинов 12 в канавки, или в виде срезных болтов 17 (см. фиг. 14 и 15), для которых в корпусе центратора выполнены отверстия 18 с резьбами (см. фиг. 5, 6, 7, 9 и 10). Для повышения сопротивляемости центратора к усилию страгивания с мест закрепления в скважинах с зенитным углом более 45° и в продуктивных интервалах разреза, а также для прохождения центратора через проблемные участки ствола, необходимо дополнительно оснастить колонну стопорным ограничительным кольцом 19 (см. фиг. 9 и 10), установив его вплотную к центратору, закрепляя к трубе колонны болтами 17 или клинами 12. При этом значительно повышается сопротивляемость центратора к усилию страгивания. Для возможности осевого перемещения и кругового поворота центратора над и под ним установлены стопорные ограничительные кольца 20 и 21, аналогичные стопорному кольцу 19, закрепляемые болтами 17 или стопорными клинами 12, что обеспечивает проходимость центраторов при спуске колонны в наклонную или горизонтальную скважину.
Работа центратора заключается в следующем.
Его спускают в скважину, предварительно надев на трубы 7 обсадной колонны (обсадная колонна на фиг. не изображена), и закрепляют одним из вышеназванных стопорных элементов (см. фиг. 4-6 и 11, 14). Так, при использовании цангового запорного элемента 8 (см. фиг. 4 и 5), сначала центратор на трубе 7 закрепляют болтами 17 (см. фиг. 14) с усилием достаточным для слома его головки по ослабленному сечению стержня, или односторонними стопорными клинам 12 (см. фиг. 14), после чего фигурным ключом зажимают цангу кольцом 9. Закрепление центратора на трубе 7 конусным стопорным клином 10 (см. фиг. 6) осуществляют следующим образом. Как было описано выше, центратор на трубе 7 закрепляют болтами 17 или односторонними клинами 12, после чего конусный стопорный клин 10 опускают по трубе до упора о внутреннюю коническую расточку 11 корпуса 1 и закрепляют болтами 17 или односторонними клинами 12 и в таком виде спускают их в скважину. При спуске колонны в скважину в случае, когда центратор не выдерживает страгивающей нагрузки он может сместиться с места установки в направлении вверх. При этом он своей конусной расточкой встречает конусный клин 10 и, взаимодействуя с ним, заклинивается. Эффект торможения центратора многократно увеличивается, если конусный клин 10 выполнить в виде цанги, как это приведено на фиг.6, при котором происходит не только заклинивание, но и зажим лепестков (сегментов) цанговой части клина, тем самым усиливая сопротивляемость его к страгивающей нагрузке в процессе заклинивания. Поэтому центраторы, снабженные выше описанным запорным элементом, устанавливают на трубах колонны спускаемой в скважины с зенитным углом более 45° и в продуктивные интервалы разреза, а также для прохождения его через проблемные участки, где прогнозируются большие страгивающие нагрузки.
Закрепление центратора к трубам 7 колонны стопорными болтами 17 и односторонними стопорными клинами 12 осуществляют по традиционной схеме следующим образом. Через одно из окон, например, через окно 16 (см. 13) корпуса 1 вводят острый конец сначала одного клина, направив наклонную его поверхность 14 с фиксирующими зубьями 13 к наружной поверхности трубы 7. Затем ударами молотка клин продвигают до полного утопления в канавку 15 заподлицо. При этом он по мере движения в поступательном направлении, прогибаясь по окружности канавки своими фиксирующими зубьями, охватывает наружную поверхность трубы 7 и плотно прилегает к ее телу. Далее в это же окно 16, заводят следующий клин 12, и аналогичным образом забивают его в канавку в противоположную сторону от первого клина. Так осуществляют крепление центратора к трубе обсадной колонны и через другие окна, обеспечивая неподвижное крепление, без возможности смещения и вращения по трубе. Для повышения сопротивляемости центратора к усилию страгивания с мест закрепления в скважинах с зенитным углом более 45° и в продуктивных интервалах разреза, а также для прохождения центратора через проблемные участки ствола необходимо дополнительно оснастить колонну стопорным ограничительным кольцом 19 (см. фиг. 9 и 10), установив его вплотную к центратору, закрепляя к трубе колонны болтами 17 или клинами 12. При этом сопротивляемость центратора к страгивающей нагрузке значительно повышается и может достигать, например, до 50 кН. Для возможности осевого перемещения и кругового поворота центратора над и под ним необходимо установить стопорные ограничительные кольца 20 и 21, закрепляемые болтами 17 или стопорными клинами 12, обеспечивающими повышенную проходимость центраторов при спуске колонны в наклонную или горизонтальную скважину.
В процессе цементирования колонны восходящий поток цементного раствора, проходящий через наклонно расположенные турбулизирующие крылья 6, получает турбулентное движение, благодаря чему улучшается полнота вытеснения от стенок скважины остатков глинистого раствора и замещения его цементным, способствуя тем самым повышению качества крепления, образованию цементного кольца вокруг обсадной колонны равномерной толщины за счет уменьшения эксцентриситета (смещения осей) колонны относительно оси скважины, а наклон ребер вправо предотвращает развинчивание наращенных труб по резьбовому соединению под усилием радиальной составляющей и усилия трения, а также от усилия закручиваемого восходящего потока в процессе спуска колонны. Такая конструкция центратора позволяет четко обнаружить их местоположение в скважине геофизическими приборами. Выполнение центрирующих элементов куполообразной формы, в частности в виде ступенчатых шаровых сегментов обеспечивает безаварийную проходимость центратора по стволу скважины, снижение страгивающих нагрузок на центраторы с места их установок, следовательно, и колонны в суженных ее участках, где сохранились остатки глинистой корки, вызывающие аварийные ситуации. Кроме того, при этом упрощается технология изготовления, снижается металлоемкость, повышается эффективность турбулизации восходящего потока цементного раствора за счет строгой направленности турбулизирующих крыльев 6 (см. фиг. 3 и 5), расположенных между центрирующими элементами, что позволит существенно снизить толщину глинистой корки цементным раствором, обладающего абразивным свойством.