Извлекаемая разделительная пробка

 

Использование: в нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при креплении нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет восстановления проходного канала обсадной колонны. Сущность изобретения: пробка содержит полый корпус-сердечник. На корпусе установлена манжета. Внутри корпуса помещены подпружиненный патрубок с боковыми отверстиями и конический фиксатор. Пробка снабжена верхней и нижней шайбами. Манжета установлена между шайбами. При этом наружный диаметр шайб определен из соотношений указанных в описании. Кроме того, извлекаемая разделительная пробка снабжена центратором, размещенным над манжетой и выполненным в виде упругого эластичного элемента с перепускными отверстиями. 1 з. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к нефтяной промышленности, может быть использовано при креплении нефтяных и газовых скважин и направлено на решение задач по повышению технологических показателей.

Известна цементировочная пробка, содержащая корпус, верхнюю и нижнюю манжеты [1] Недостатком данного аналога является отсутствие возможности удаления пробки на поверхность без подъема труб.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для цементирования, содержащее установленное в муфте обсадной колонны посадочное седло, подвижно установленный контейнер, извлекаемую пробку, состоящую из полого корпуса-сердечника, с установленной на нем манжетой, подпружиненного патрубка с боковыми отверстиями, помещенного внутри корпуса, и конического фиксатора [2] Недостатком прототипа является возможность его использования только при цементировании обсадной колонны с фиксированием его в нижнем положении на кольце "Стоп", что ограничивает функциональные возможности.

Указанный недостаток обусловлен тем, что для обеспечения работы устройство содержит контейнер и извлекаемое посадочное кольцо для его упора, препятствующее свободному проходу стандартных цементировочных пробок и скважинного оборудования и, поэтому онo не может быть использовано, например, для разделения жидкости перфорации и буферной жидкости, закачиваемых в скважину в процессе продавливания тампонажного раствора в интервал выше кровли продуктивного пласта.

Сущность изобретения заключается в том, что с целью расширения функциональных возможностей за счет восстановления проходного канала обсадной колонны после удаления пробки на поверхность, извлекаемая разделительная пробка, содержащая полый корпус-сердечник, с установленной на нем манжетой, подпружиненный патрубок с боковыми отверстиями, помещенный внутри корпуса, и конический фиксатор для взаимодействия с ловителем, дополнительно снабжена верхней и нижней шайбами, жестко связанными с корпусом, между которыми установлена манжета, при этом наружный диаметр верхней шайбы (D_в, м) определен из соотношения D_в=D_к-2δ где D_к внутренний диаметр обсадной колонны под извлекаемую пробку, м; δ кольцевой зазор между внутренней стенкой обсадной колонны и наружным диаметром верхней шайбы, м, а наружный диаметр нижней шайбы (D_н, м) определен из соотношения D_н= D_в-D_м ˙ сos α /1-cos α, где D_м наружный диаметр манжеты, м; α угол отклонения манжеты от верхней шайбы при извлечении разделительной пробки, град.

Так как наружный диаметр нижней шайбы меньше наружного диаметра верхней, в средней радиальной части манжеты образован односторонний верхний упор, обеспечивающий возможность двухстороннего движения пробки без использования контейнера и посадочного кольца. При движении пробки вверх ввиду отсутствия опоры в нижнем направлении манжета отжимается жидкостью от верхней шайбы вниз, принимая форму воронки, наружный диаметр которой меньше, чем внутренний диаметр обсадной колонны, вследствие чего образуется кольцевой канал для перетока жидкости и обеспечивается возможность удаления пробки на поверхность с помощью конического фиксатора и приводного каната. При этом также обеспечивается восстановление проходного канала обсадной колонны, что расширяет функциональные возможности изобретения, так как оно может быть использовано как для продавливания тампонажного раствора, так и для разделения буферной и рабочей жидкостей для перфорации, расположенных в обсадной колонне выше кольца "Стоп".

Размещенный над манжетой упругий центратор повышает эффективность работы пробки за счет предотвращения ее перекоса и заклинивания в трубах с переменным внутренним диаметром, а также выполняет роль экрана, ограничивающего осаждение механических частиц непосредственно над манжетой, и предотвращающего заклинивание манжеты осадком в первоначальный момент движения пробки вверх.

На фиг. 1 изображена разделительная пробка, общий вид с продольным разрезом; на фиг.2 то же, вид со стороны торца; на фиг.3 то же, в процессе удаления из обсадной колонны; на фиг.4 расчетная схема формирования кольцевого канала; на фиг.5 схематичный разрез скважины в положении после продавливания тампонажного раствора.

Извлекаемая разделительная пробка содержит полый корпус-сердечник 1 и жестко связанные с ним верхнюю 2 и нижнюю 3 шайбы, между которыми помещена манжета 4. Манжета 4 может быть выполнена в виде пакета плоских эластичных уплотнительных элементов, например из резины. Диаметр нижней шайбы 3 меньше диаметра верхней шайбы 2, за счет чего образован кольцевой упор 5, расположенный в пределах средней радиальной части манжеты 4. В центральном канале а полого корпуса-сердечника 1 плотно установлен подпружиненный патрубок 6 с боковыми отверстиями б и ограничителем 7. Полость А гидравлически связана с полостью Б через центральный канал а и боковые отверстия б. В верхней части корпус-сердечник 1 соединен с коническим фиксатором 8, взаимодействующим с ловителем.

Пример выбора диаметров шайб. Наружные диаметры шайб 2 и 3 выбирают из следующих соотношений (схема расчета приведена на фиг.4): D_в=D_к-2 δ, (1) где D_в наружный диаметр верхней шайбы, м; D_к внутренний диаметр обсадной колонны под извлекаемую разделительную пробку (для 146 мм обсадной колонны D_к=0,13 м); δ кольцевой зазор между внутренней стенкой обсадной колонны 9 и наружным диаметром верхней шайбы 2, конструктивно принимаем равным 0,01 м.

D_в= 0,13-2 ˙ 0,01=0,11 м. Под воздействием столба жидкости в колонне при удалении пробки на поверхность манжета 4 отжимается вниз от верхней шайбы 2, принимая форму воронки. При этом угол между образующей воронки и плоскостью верхней шайбы 2 угол отклонения манжеты равен α. Максимального значения угол α достигает при условии, что наружный диаметр манжеты 4 в деформированном состоянии (диаметр воронки) становится равным наружному диаметру верхней шайбы 2. Для этого условия из треугольника АОВ следует cos α (2) или cos α (3) где R_в, R_н и R_м радиусы соответственно верхней и нижней шайб и манжеты, м. Формируя уравнение (3) через диаметры элементов, можно записать cos α (4) или, после преобразования, имеем:
D_н= (5) где D_н наружный диаметр нижней шайбы, м;
D_м наружный диаметр манжеты, м;
α угол отклонения манжеты от верхней шайбы при извлечении пробки, град.

D_м= D_к+2δ₁= 0,13+0,006= 0,136 м, (6) где δ₁ плюсовый допуск к наружному диаметру манжеты на уплотнение, который конструктивно принимается равным 0,003 м. Оптимальное значение α находится в пределах 40-50^о, так как при меньшем значении угла α ширина В кольцевого канала недостаточна, что приводит к росту гидравлических сопротивлений и усилия при удалении пробки на поверхность. При большем значении угла α происходит чрезмерная деформация манжеты и выход ее из строя. Принимая α 45^о, а соs α 0,707 и подставляя значения величин в уравнение (5), имеем
D_н= 0,047 м.

Таким образом из уравнений (1) и (5) можно с достаточной степенью точности определить для заданной обсадной колонны наружные диаметры верхней 2 и нижней 3 шайб. Кроме того, над манжетой 4 установлен центратор 10, выполненный в виде плоского эластичного элемента, например из резины, снабженный равномерно расположенными по окружности перепускными отверстиями для перетока жидкости из верхней полости А в промежуточную полость В.

Пробка работает следующим образом.

После закачивания в обсадную колонну 9 тампонажного раствора 11 через цементировочную головку 12 сбрасывают разделительную пробку 13. Затем осуществляют продавливание тампонажного раствора 11 путем закачивания порции перфорационной жидкости 14 в количестве, необходимом для заполнения обсадной колонны 9 в интервале продуктивного пласта 15 и выше него на 100-150 м. После этого прерывают процесс продавливания, сбрасывают вторую разделительную пробку 16 и продолжают продавливание тампонажного раствора 11, закачивая последовательно порции буферной жидкости 17 и бурового раствора 18 до момента охлаждения пробки 13 в кольцом "Стоп" 19. При движении пробок 13 и 16 в обсадной колонне 9 под действием гидравлического напора манжета 4 уплотняет проходной канал обсадной колонны 9, обеспечивая разделение буферной 17 и перфорационной 14 жидкостей. По окончании процесса продавливания тампонажного раствора 11 пробка 16 устанавливается в обсадной колонне 9 выше кольца "Стоп" 19, а именно выше кровли продуктивного пласта 15. Перед проведением перфорации продуктивного пласта 15 в обсадную колонну 9 опускают на канате ловитель, который соединяют с коническим фиксатором 8 и с помощью подъемного устройства удаляют пробку 16 на поверхность. В результате полностью восстанавливается проходной канал обсадной колонны 9 в рабочем интервале от устья до кольца "Стоп" 19. В момент сдвига пробки 16 с исходного положения вверх подпружиненный патрубок 6 перемещается в верхнее положение, открывая боковые отверстия б, за счет чего происходит переток жидкости из полости А в полость Б по каналу а и выравнивание давления в них. В результате усилие, необходимое для начального сдвига пробки 16, снижается до величины, допустимой для приводного каната. При дальнейшем движении пробки 16 вверх манжета 4 прогибается вниз под действием столба жидкости, отжимаясь от верхней шайбы 2, так как в нижнем направлении в пределах средней радиальной части манжета 4 не имеет упора. При прогибе манжета 4 принимает форму воронки, наружный диаметр которой меньше, чем наружный диаметр манжеты 4 в исходном положении, в результате образуется канал в между наружным диаметром воронки и внутренней стенкой обсадной колонны 9 для перетока жидкости из полости В в полость Б.

Центратор 10 повышает эффективность разделения жидкости за счет предотвращения перекоса и заклинивания манжеты в трубах с переменным внутренним диаметром. Кроме того, центратор 10 выполняет роль экрана, препятствующего осаждению механических частиц непосредственно на манжете 4. Образовавшийся на центраторе 10 осадок из механических частиц в начальный период движения пробки выносится жидкостью через перепускные отверстия г и кольцевой канал в из полости А в полость Б. Аналогично осуществляется и удаление на поверхность пробки 13.

Формула изобретения

1. ИЗВЛЕКАЕМАЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНАЯ ПРОБКА, содержащая полый корпус-сердечник, манжету, установленную на корпусе, подпружиненный патрубок с боковыми отверстиями, помещенный внутри корпуса, и конический фиксатор, отличающаяся тем, что она снабжена верхней и нижней шайбами, жестко связанными с корпусом, а манжета помещена между верхней и нижней шайбами, при этом наружный диаметр D_b верхней шайбы определен из соотношения
D_в=D_к-2δ,
где D_k внутренний диаметр обсадной колонны под извлекаемую разделительную пробку, м;
δ кольцевой зазор между внутренней стенкой обсадной колонны и наружным диаметром верхней шайбы, м,
а наружный диаметр D_n нижней шайбы определен из соотношения
D_н=D_в-D_н·cosα/(1-cosα),
где D_м наружный диаметр манжеты, м;
α угол отклонения манжеты от верхней шайбы при извлечении разделительной пробки, град.

2. Пробка по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена центратором в виде упругого эластичного элемента с перепускными отверстиями, размещенными над манжетой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5