Термоизолирующее направление буровой скважины с вакуумной изоляцией

Полезная модель относится к устройствам, используемым в нефтегазодобывающей промышленности, в частности к термоизолирующим направлениям для строительства скважин в районах многолетней мерзлоты для предотвращения их растепления.
Для решения технической проблемы, заключающейся в обеспечении эксплуатационных свойств и удобства монтажа термоизолирующего направления буровой скважины, используются следующие технические решения.
Из патента RU №2197594 известно термоизолирующее направление, включающее концентрично расположенные секции внешних труб с узлом соединения и секции внутренних труб, в кольцевом пространстве, между которыми размещены теплоизолирующий и экранирующий материалы. Кроме того, описываемое устройство содержит компенсаторы температурного расширения, выполненные в виде петлеобразной скобы с цилиндрическими обечайками и размещенные на стыках секции колонны на уровне соединительных узлов, эластичные кольца, установленные между смежными секциями труб в узле их соединения, причем компенсаторы температурного расширения расположены на одном из концов внутренней трубы и жестко соединены одним цилиндрическим торцом обечайки с внешней поверхностью внутренней трубы, а другим цилиндрическим торцом обечайки установлены с возможностью скольжения на внутренней трубе и жестко соединены с внутренней поверхностью внешней трубы.
Описываемое устройство характеризуется недостаточной надежностью вследствие сложности изготовления из-за наличия компенсаторов, выполненных с изгибом; также устройство имеет увеличенную массу и предназначено для ограниченной глубины спуска. Последнее обстоятельство возникает вследствие недостаточной теплоизоляции и теплозащиты направления буровой скважины на больших глубинах.
Из патента RU №74415 известно выполненное сборно-разборным термоизолирующее направление, содержащее верхнюю и нижнюю части, включающие внутреннюю и наружную трубы и размещенный между ними теплоизолирующий материал. В зоне стыка внутренние трубы выступают из наружных труб и снабжены соединенными между собой фланцами, также зона стыка перекрыта обечайкой, при этом полость между обечайкой и внутренней трубой заполнена теплоизолирующим материалом, а на наружной трубе нижней части выполнены крепежи для временной фиксации ребер для опоры на стенки скважины в процессе монтажа направления.
Данное термоизолирующее направление проявляет некоторые отрицательные эксплуатационные свойства. В частности, трудоемкость монтажа во время спускоподъемных операций и применимость только при бурении на малые глубины большого диаметра. Это обусловлено тем, что термоизолирующее направление устанавливается в цилиндрическую шахту, подготавливается только шнековым буром и позволяет установить не более двух частей термоизолирующего направления, при этом установка осуществляется только при помощи подъемного крана.
Из патента RU №160010 известно термоизолирующее направление буровой скважины, выполненное сборно-разборным, каждая секция которого содержит внутреннюю и наружную трубы и размещенный между ними теплоизоляционный материал, состоит из двух и более секций, каждая из которых, в зоне стыка, имеет выступающие из наружной трубы конец внутренней трубы, причем нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством резьбовой муфты соединения. Зона стыка наружной трубы каждой секции перекрывается обечайкой, а каждая полость между обечайкой и связанными между собой посредством резьбовой муфты соединения внутренними трубами заполнена теплоизоляционным материалом, при этом в качестве теплоизоляционного материала используется пенополиуретан или минеральная вата.
Известное техническое решение характеризуется сложностью монтажа во время спускоподъемных операций ввиду необходимости устанавливать между трубами термоизоляционный материал.
Термоизоляционный материал может повредиться во время операции сварки, причем трудно проконтролировать степень повреждения без проведения демонтажа направления буровой скважины.
Вышеуказанные факторы свидетельствуют о недостаточной эксплуатационной надежности анализируемого устройства.
Кроме того, отмечается высокая материалоемкость известного средства по причине расхода термоизоляционного материала на скважинах большой глубины
Из патента RU №172052 известна труба лифтовая с вакуумной изоляцией, организованной в герметичной камере между наружной и внутренней трубой. При этом герметичность камеры обеспечивается путем установки кольцевых элементов, соединяющих наружную и внутреннюю трубу с использованием сварного соединения без наличия доступа в полость камеры через какие-либо отверстия.
Отмеченная конструктивная особенность трубы лифтовой приводит к сложности обеспечения и контроля вакуума при сборке на месторождении из-за необходимости привлечения дополнительного оборудования - насоса, создающего вакуум. Кроме того, при создании средней полости необходимо проводить сварочные работы с последующим контролем сварных швов на герметичность. При использовании известной трубы лифтовой также отмечается высокая материалоемкость.
Техническое решение, раскрытое в патенте RU №182283, содержит внутреннюю и наружную трубы с размещенным между ними теплоизоляционным материалом, состоит из двух и более секций, каждая из которых в зоне стыка имеет выступающие из наружной трубы конец внутренней трубы, причем нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством резьбовой муфты соединения; зона стыка наружной трубы каждой секции перекрывается обечайкой. Кроме того, известное техническое решение содержит кольцевые элементы, соединяющие наружные и внутренние трубы с образованием двух герметичных камер, а также третьей промежуточной камеры в зоне стыка секций, которая закрыта обечайкой. Герметичные камеры заполнены термоизолирующим материалом. Причем каждая из трех камер выполнена с отверстием, имеющемся в кольцевом элементе; через отверстия осуществляется заполнение теплоизоляционного материала.
В связи с вышеизложенным, отмечается высокая материалоемкость, проявляемая при использовании указанного технического решения по причине расхода термоизоляционного материала на скважинах большой глубины.
Кроме того, как было указано, повреждение термоизоляционного материала при монтаже или в процессе применения может привести к снижению эксплуатационной надежности устройства.
Техническое решение по патенту RU №182283 выбрано в качестве ближайшего аналога.
Предлагаемая полезная модель решает техническую проблему обеспечения эксплуатационной надежности при бурении скважин различной глубины благодаря расширению арсенала средств подобного назначения.
Итак, термоизолирующее направление буровой скважины выполнено сборно-разборным, включает две и более секции, при этом каждая секция содержит внутреннюю и наружную трубы и имеет выступающие из наружной трубы концы внутренней трубы, нижний конец внутренней трубы верхней секции связан с верхним концом внутренней трубы нижней секции посредством резьбового соединения, наружные и внутренние трубы каждой секции герметично соединены кольцевыми элементами, выполняющими функцию крышек, с образованием в каждой секции соответствующей герметичной камеры, в зоне стыка секций наружные трубы перекрывает защитная обечайка, образующая промежуточную герметичную камеру, расположенную между камерой верхней секции и камерой нижней секции, в полостях указанных трех камер имеется термоизоляция, при этом в качестве термоизоляции используется вакуумная среда, для создания вакуумной среды в камерах каждой секции в соответствующем верхнем кольцевом элементе установлен обратный клапан, а для создания вакуумной среды в промежуточной камере обратный клапан установлен в нижнем кольцевом элементе верхней секции.
Полезная модель имеет следующие аспекты выполнения.
Кольцевые элементы изготовлены стальными и установлены с использованием сварки.
В каждой камере секций установлен контейнер с абсорбирующим материалом, обеспечивающим поглощение остаточного воздуха.
Каждая секция снабжена как минимум одним ребром жесткости, которое выполнено в виде дополнительного кольцевого элемента и установлено в центральной зоне верхней камеры и нижней камеры с зазором относительно внутренней поверхности наружной трубы.
Обечайка выполнена из двух частей, например, из двух половин короткой трубы, которые соединены в продольном направлении сваркой.
Обечайка приварена кольцевыми швами к наружной поверхности наружных труб смежных секций.
Отказ от заполнения камер теплоизолирующим материалом, как это описано в патенте №182283, и использование вакуумной изоляции для сохранения назначения (функции) устройства доказывает снижение материалоемкости по пути уменьшения расхода материала и упрощения конструкции при, как минимум, сохранении теплоизоляционных качеств термоизоляции. Так, высокие термоизолирующие свойства вакуума практически не зависят от размера вакуумного промежутка, следовательно, вакуумная термоизоляция в камерах будущего изделия может быть организована для термоизолирующего направления, выполненного из труб любого типоразмера.
Наличие обратного клапана в кольцевом элементе (крышке) обеспечивает создание вакуумной среды в соответствующей камере и исключает попадание воздуха.
Ниже в разделе, раскрывающем пример осуществления полезной модели, описаны средства (приспособления), предназначенные для создания вакуума в указанных трех камерах.
Выполнение сварного соединения кольцевых элементов, выполняющих функцию крышек и образующих герметичные камеры, с поверхностью коаксиально расположенных труб приводит к удобству создания такого соединения из-за его распространенности и, кроме того, такой вид соединения нивелирует неточности изготовления кольцевых элементов, что также указывает на снижение материалоемкости по пути упрощения конструкции.
Для обеспечения герметичности камер остатки воздуха удаляются с помощью абсорбирующего материала, размещенного в контейнере (с обеспечением выполнения функции поглощения воздуха), установленного в камере каждой секции.
Наличие ребра жесткости в виде дополнительного кольцевого элемента, размещенного в средней части камеры каждой секции, обеспечивает жесткость конструкции, следовательно, влияет на повышение эксплуатационной надежности термоизолирующего направления. Наличие зазора между дополнительным кольцевым элементом (ребром жесткости) и внутренней поверхностью наружной трубы также продиктовано удобством монтажа. Иными словами, жесткая связь дополнительных колец (ребер жесткости) обеспечивается путем приваривания упомянутых колец и наружной поверхности внутренней трубы в заводских условиях. В свою очередь, наличие ребер жесткости, помимо своей основной функции в период сборки секции в заводских условиях, выполняют роль направляющих при заведении внутренних труб в полость наружных труб.
Выполнение обечайки состоящей из двух частей, например, в виде двух половин короткой трубы, которые соединены в продольном направлении сваркой, позволяет, во-первых, упростить монтаж по сравнению, например, с использованием катушки (короткой трубы), во-вторых, снизить точность изготовления деталей, составляющих сборку, и наконец, обеспечить целостность обечайки.
Размещение обечайки между смежными кольцевыми элементами снаружи зоны стыка секций обусловлено возможностью создания вакуума в промежуточной камере за счет того, что не только обратный клапан, предназначенный для этой цели, но и канал для выпуска воздуха организованы непосредственно в толще кольцевого элемента; таким образом, выход (отверстие) указанного канала выполнен на цилиндрической поверхности наружной трубы.
Исходя из вышесказанного, предлагаемая полезная модель выполняет свое назначение с использованием вакуумной среды в качестве термоизоляции и расширяет линейку известных средств подобного назначения, обеспечивая удобство монтажа и упрощение конструкции за счет исключения материала в качестве термоизоляции.
Эти и другие особенности термоизолирующего направления поясняются с помощью чертежей.
На фигуре 1 изображены две секции разъемного термоизолирующего направления буровой скважины в разрезе, на фигуре 2 - обратный клапан в разрезе, установленный в кольцевом элементе (крышке) для создания вакуума в промежуточной камере.
Выполненное сборно-разборным термоизолирующее направление буровой скважины может состоять из двух и более секций. На фигуре 1 изображено термоизолирующее направление, включающее две секции 1, каждая из которых содержит внутреннюю обсадную трубу 2 и наружную сварную одношовную трубу 3.
Размеры внутренних и наружных труб, резьбовое соединение выбирается в зависимости от требований потребителей - по любому нормативному документу, применимому для обсадных труб, например, по ГОСТ 632, API 5СТ, ГОСТ 31446 или иному нормативному документу.
Каждая из секций 1 в зоне стыка имеет выступающие из наружной трубы 3 нижние концы внутренних труб 2, соединенные посредством резьбовой муфты 4 с верхними концами внутренних труб 2. В качестве резьбового соединения может использоваться любой тип резьбы из применяемых для обсадных труб.
Возможно также резьбовое соединение за счет муфтового раструбного соединения.
В зоне стыка смежных секций 1 наружные трубы 3 охватывает защитная обечайка 5, выполненная из двух половин сформованной короткой трубы.
В заводских условиях при изготовлении секций 1 устанавливаются стальные крышки 6 в форме колец для создания вакуума в образованных камерах 7 каждой секции и в камере 8 - промежуточной камере между камерами 7 верхней и нижней секций 1.
В камерах 7 каждой секции при монтаже в заводских условиях создан вакуум благодаря наличию обратного клапана 10, а в камерах 8 каждой пары соединенных секций создан вакуум при монтаже направлений на скважине благодаря наличию обратного клапана 9. При этом клапан 9 установлен в нижней крышке 6 камеры 7 верхней секции 1, канал обратного клапана 9 выполнен в толще верхней крышки 6 секции выходящим на боковую цилиндрическую поверхность наружной трубы 3
В камерах 7 секций 1 на поверхности крышек 6 установлен блок с газопоглощающим пористым материалом, например, блок с геттером 11, широко описанным в технической литературе. Геттер 11 позволяет абсорбировать возможное макроскопическое поступление воздуха извне через потенциальные дефекты сварных швов.
В камерах 7 установлены ребра жесткости, функцию которых выполняют кольцевые элементы 12, жестко связанные сваркой с внутренними трубами 2 и выполненными так, что при изготовлении секций 1 наружная труба 3 беспрепятственно надевается на внутреннюю трубу 2. Иными словами, между ребром жесткости 12 и внутренней поверхностью наружной трубы 3 имеется зазор (на чертеже не показан). При этом зазор не нормируется, его величина должна позволять производить откачку воздуха из секции и обеспечивать жесткость конструкции при изгибных или сжимающих нагрузках, при экспериментальном изготовлении патентуемого устройства данный зазор был обеспечен в размере 1,0-1,5 мм.
В процессе изготовления термоизолирующего направления буровой скважины каждую секцию 1 с герметичными камерами 7 изготавливают непосредственно в заводских условиях.
Через сквозное отверстие, в котором будет установлен обратный клапан 10, осуществляется подача сжатого воздуха от заводской сети или мобильного компрессора до определенного давления с выдержкой по времени. После проверки изделия на герметичность в указанное отверстие устанавливается обратный клапан 10 и при помощи вакуумного насоса отсасывается воздух, до достижения заданной глубины вакуума. После этого отверстие с внешней стороны герметизируется, например, резьбовой заглушкой (на чертеже не показана).
При монтаже на скважине секции 1 свинчиваются при помощи муфты 4. Обечайка 5 устанавливается между торцевых колец 6 снаружи зоны стыка, образуя герметичную промежуточную камеру 8.
Установка и фиксирование обечайки 5 осуществляется посредством сварного соединения обечайки и крышек 6 по наружной поверхности (сварочный кольцевой шов с двух концов обечайки.
При необходимости может быть использован иной вариант монтажа обечайки, когда из соображений техники безопасности не допускается использование сварочного аппарата. Например, для скважин с сероводородной средой и возможными выбросами флюида при строительстве предлагается механическое соединение выполненной с кольцевыми выступами обечайки и наружных труб термоизолирующего направления. Фиксация обечайки обеспечивается при сведении торцевых частей секций за счет резьбового соединения. При этом во время фиксации наружные трубы упираются в упорные поверхности выступов, каждый из которых снабжен герметизирующим кольцом (чертеж механического соединения не приводится).
Через отверстие канала, связанного с обратным клапаном 9, также осуществляется проверка на герметичность путем подачи от мобильного компрессора сжатого воздуха до достижения заданного давления и выдержки по времени. Затем через отверстие, связанное с обратным клапаном 9 при помощи мобильного вакуумного насоса отсасывается воздух до достижения заданной глубины вакуума. После этого отверстие с внешней стороны герметизируется резьбовой заглушкой (на чертеже не показана).
Применение предлагаемого термоизолирующего направления с вакуумной изоляцией расширяет арсенал средств подобного назначения. Так новое, созданное термоизолирующее направление, благодаря применению вакуума в качестве термоизоляции, приводит к возможности его использования при бурении скважин на любую глубину с обеспечением надежности на стадии монтажа и при непосредственной эксплуатации. Кроме того, дополнительным преимуществом предлагаемой полезной модели является снижении материалоемкости по пути отказа от использования материального ресурса - пенополиуретана в качестве термоизоляционного материала.
Термоизолирующее направление новой конструкции, также как и другие средства подобного назначения, изготавливается в заводских условиях с максимальной степенью готовности при заполнении камер вакуумом.