Устройство для ступенчатого цементирования скважины

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в две стадии в нефтяных и газовых скважинах. Обеспечивает высокую пропускную способность при закачке цементного раствора второй ступени, высокую надежность в работе и степень герметизации. Сущность изобретения: устройство включает корпус с боковыми отверстиями, кожух, клапанный узел, верхнюю и нижнюю продавочные пробки. Корпус и кожух образуют между собой полость по всему их периметру. Запорный элемент клапанного узла выполнен в виде телескопически соединенных между собой и корпусом втулок. Втулки выполнены упирающимися верхними торцами в пружины, а последние - в упор. Упор установлен жестко на корпусе. Устройство снабжено дополнительным клапаном, расположенным между кожухом и корпусом, и подвижной втулкой, установленной внутри корпуса. Клапан и втулка находятся выше боковых отверстий в корпусе и соединены с ним срезными элементами. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в две стадии в нефтяных и газовых скважинах.

Известна муфта для ступенчатого цементирования обсадных колонн, включающая корпус с циркуляционными отверстиями, устанавливаемая в составе обсадной колонны с башмаком и посадочным седлом, перекрывающую втулку, соединенную с корпусом срезными элементами, и уплотнения [1].

Недостатком устройства является необходимость создания большого давления при перекрытии циркуляционных отверстий, что может привести к разрушению уплотнительных колец перекрывающей втулки о края отверстий и вызвать разгерметизацию этого узла.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для ступенчатого цементирования скважины, содержащее корпус с боковыми цементировочными отверстиями, кожух, расположенный снаружи корпуса и образующий с последним полость, клапанный узел, включающий седло с конической опорной поверхностью, и запорный элемент, верхнюю и нижнюю продавочные пробки, включающие стержень и эластичную манжету [2].

Недостатками устройства являются:

- большие габариты, обусловленные тем, что клапанный узел находится внутри полости между корпусом и кожухом;

- малый условный проход для цементного раствора через устройство;

- устройство состоит из нескольких секций, и отказ в работе одной из них приведет к отказу в работе всего устройства;

- запорный элемент клапанного узла выполнен из упругодеформируемого материала, что приводит к трудностям в управлении им и не обеспечивает надлежащей герметизацией устройства после закачки цементного раствора второй ступени.

Задачей изобретения является создание устройства, обладающего высокой эксплуатационной надежностью и обеспечивающего гарантированную успешность проведения операции по закачке цементного раствора второй ступени.

Указанная задача решается предлагаемым устройством, содержащим корпус с боковыми цементированными отверстиями, кожух, расположенный снаружи корпуса и образующий с последним полость, клапанный узел, включающий седло с конической опорной поверхностью и запорный элемент, верхнюю и нижнюю продавочные пробки, включающие стержень и эластичную манжету.

Новым является то, что полость между корпусом и кожухом образована по всему их периметру, а запорный элемент клапанного узла выполнен в виде телескопически соединенных между собой и корпусом втулок, расположенных по периметру корпуса и упирающихся верхними торцами в пружины, а последние - в упор, установленный жестко на корпусе, нижние торцы втулок выполнены коническими под седло и снабжены дополнительным клапаном, расположенным между кожухом и корпусом, и подвижной втулкой, установленной внутри корпуса, причем упомянутые клапан и втулка находятся выше цементировочных отверстий и соединены с корпусом срезными элементами.

Новым также является то, что дополнительный клапан выполнен в виде кольцевой втулки: боковая нижняя часть стержня верхней продавочной пробки и верхний торец подвижной втулки снабжены пазами, взаимодействующими в рабочем положении; концы срезных элементов, соединяющих корпус и подвижную втулку, выступают во внутрь полости между корпусом и кожухом.

На чертеже изображено предлагаемое устройство в продольном разрезе.

Устройство состоит из корпуса 1 с боковыми цементировочными отверстиями 2. На корпус надет кожух 3, образующий с ним полость 4. Верхняя часть 5 кожуха с конической опорной поверхностью является седлом запорного элемента клапанного узла, выполненного в виде телескопически соединенных между собой и корпусом втулок 6 и 7, расположенных по периметру корпуса и упирающихся верхними торцами в пружины 8, а последние - в упор 9, установленный жестко на корпусе. Нижние торцы втулок 6 и 7 выполнены коническими под седло. Устройство снабжено дополнительным клапаном 10, установленным между кожухом и корпусом и выполненным в виде кольцевой втулки. Внутри корпуса расположена подвижная втулка 11, которая, как и клапан 10, находится выше цементировочных отверстий 2, и соединена с корпусом срезными элементами соответственно 12 и 13. Концы срезных элементов 12 выступают во внутрь полости 4.

Устройство используется в комплекте со стоп-узлом, состоящим из седла 14. корпуса 15, муфт 16 и 17 и башмака 18.

Используются также верхняя и нижняя продавочные пробки. Первая из них включает в себя стержень 19, эластичную манжету 20, фиксатор 21 в виде разрезного пружинного кольца, установленный в конической расточке нижней части стержня 19.

Вторая включает стержень 22 и эластичную манжету 23. Боковая нижняя часть стержня 22 и верхний торец подвижной втулки 11 снабжены пазами 24. Сопрягаемые поверхности деталей снабжены уплотнениями 25.

Подвижная втулка 11 и стержень 22 изготовлены из разбуриваемого материала.

Работает устройство следующим образом.

Его в составе обсадной колонны в комплекте со стоп-узлом спускают в скважину с таким расчетом, чтобы устройство находилось выше продуктивного пласта примерно на 150-200 м. Затем по обычной технологии закачивают цементный раствор первой ступени, исходя из того, чтобы устройство было перекрыто выше на 40-50 м. При окончании цементирования нижняя продавочная пробка садится на седло 14. При этом уплотнения стержня 19 входят внутрь седла 14 на участке с меньшим диаметром и плотно прижимаются к ее поверхности. При дальнейшем повышении давления до 15 МПа разрушаются срезные элементы 13, клапан 10 перемещается до упора в срезные элементы 12, запорные элементы 6 и 7 открываются, и цементный раствор выше устройства вымывается на поверхность.

При снятии давления в обсадной колонне, давление столба цементного раствора в затрубном пространстве, воздействуя на пробку, стремится вывести ее из контакта с седлом 14. Однако фиксатор 21, перемещаясь в осевом направлении и взаимодействуя с внутренней поверхностью седла на участке с большим диаметром, упирается в уступ 26 и заклинивается конической поверхностью нижней части стержня 19, надежно удерживая продавочную пробку. При этом, чем больше давление действует на пробку, тем сильнее ее фиксация.

После ОЗЦ (ожидание затвердевание цемента) производят закачку цементного раствора второй ступени с использованием верхней продавочной пробки. Цементный раствор продавливается через цементировочные отверстия 2, полость 4 и, отжимая запорные элементы 6 и 7, заполняет заколонное пространство выше устройства на расчетную высоту. После того как стержень 22 пробки упрется в подвижную втулку 11, происходит рост давления и примерно при 15,0 МПа разрушаются срезные элементы 12. Втулка 11 движется вниз и перекрывает цементировочные отверстия 2 с внутренней стороны корпуса и жестко садится с прессовой посадкой в цилиндрической проточке 27. Запорные элементы 6 и 7 под действием пружин 8 садятся на коническую опорную поверхность седла. При этом клапан 10 опускается вниз (этому благоприятствует расточка 28 на корпусе) и перекрывает отверстия 2 с наружной стороны корпуса.

После ОЗЦ второй ступени производят разбуривание верхней продавочной пробки и втулки 11, при этом пазы 24 обеспечивают их взаимное зацепление и предотвращают вращение пробки.

Скважина готова к дальнейшим технологическим операциям. Предлагаемое устройство обеспечивает высокую пропускную способность при •закачке цементного раствора второй ступени и высокую надежность в работе благодаря применению клапанного узла с двойным подпружиненным кольцевым запорным элементом. При этом достигается очень высокая степень герметизации устройства (запорные устройства 6 и 7, клапан 10 и подвижная втулка 11).

Источники информации

1. Патент РФ № 2074311, МКИ 6 Е 21 В 33/14, 1997 Аналог.

2. Патент РФ № 2029066, МКИ 6 Е 21 В 33/13, 1995 Прототип.

Формула изобретения

1. Устройство для ступенчатого цементирования скважины, содержащее корпус с боковыми цементированными отверстиями, кожух, расположенный снаружи корпуса и образующий с последним полость, клапанный узел, включающий седло с конической опорной поверхностью и запорный элемент, верхнюю и нижнюю продавочные пробки, включающие стержень и эластичную манжету, отличающееся тем, что полость между корпусом и кожухом образована по всему их периметру, а запорный элемент клапанного узла выполнен в виде телескопически соединенных между собой и корпусом втулок, расположенных по периметру корпуса и упирающихся верхними торцами в пружины, а последние - в упор, установленный жестко на корпусе, нижние торцы втулок выполнены коническими под седло, при этом устройство снабжено дополнительным клапаном, расположенным между кожухом и корпусом, и подвижной втулкой, установленной внутри корпуса, причем упомянутые клапан и втулка находятся выше цементировочных отверстий и соединены с корпусом срезными элементами.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительный клапан выполнен в виде кольцевой втулки.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что боковая нижняя часть стержня верхней продавочной пробки и верхний торец подвижной втулки снабжены пазами, взаимодействующими в рабочем положении.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что концы срезных элементов, соединяющих корпус и подвижную втулку, выступают вовнутрь полости между корпусом и кожухом.

РИСУНКИ

Рисунок 1