Устройство для цементирования скважины

 

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации скважин различного назначения и, преимущественно, к области нефтяных и газовых скважин. Обеспечивает повышение надежности срабатывания устройства за счет исключения влияния на него динамических явлений в скважине и повышение надежности перекрытия продуктивного пласта мягкой оболочкой по всей толщине продуктивного пласта за счет обеспечения фиксации всех концов мягкой оболочки к стенке скважины. Сущность изобретения: устройство включает полый корпус в составе обсадной колонны, рабочую пробку, патрубок, срезное посадочное седло под рабочую пробку. Это седло установлено в патрубке, в нижней внутренней части обсадной колонны. На наружной поверхности корпуса выше срезного посадочного седла размещена мягкая оболочка в собранном виде. Имеются пружинные отклонители. Одни их концы жестко связаны с наружной поверхностью корпуса. Другие их концы связаны с соответствующими концами мягкой оболочки, которые зафиксированы в транспортном положении дифференциальными втулками. Эти втулки связаны с корпусом полыми штифтами. Они выполнены с возможностью их разрушения при взаимодействии с рабочей пробкой и передачи рабочего давления из полости корпуса через полости штифтов в полости дифференциальных втулок. Это обеспечивает перемещение дифференциальных втулок и освобождение концов пружинных отклонителей с мягкой оболочкой. Происходит расправление последней в радиальном направлении в рабочем положении устройства с прижатием концов мягкой оболочки к стенке скважины. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области строительства и эксплуатации скважин различного назначения и, преимущественно, к области нефтяных и газовых скважин.

Одной из проблем строительства таких скважин является предотвращение кольматации продуктивного пласта во время цементирования обсадной колонны. Применение специальных рецептур цементного (тампонажного) раствора лишь снижает степень кольматации продуктивного пласта, но не предотвращает эту кольматацию. Изобретение относится к решениям, обеспечивающим именно предотвращение кольматации продуктивного пласта за счет применения механического перекрывателя продуктивного пласта перед осуществлением операции цементирования.

Известно устройство для цементирования скважины, включающее полый корпус и кожух для изоляции продуктивного пласта, размещенный на корпусе (см., например, патент США №3194312, 13.07.1965).

Недостатком известного устройства является его жесткость, что ограничивает возможности его применения в наклонной скважине, характеризующейся кривизной ствола на каком-либо из ее участков.

Известно устройство для цементирования скважины, включающее корпус, уплотнительный элемент, центраторы с выступами, в которых размещены гибкие патрубки (см., например, авторское свидетельство СССР № 767338, 13.09.1980).

Недостатком известного устройства является низкая надежность его работы из-за возможности засорения каналов гибких патрубков и повышения гидравлических сопротивлений в заколонном пространстве скважины во время ее цементирования.

Известно устройство для цементирования скважины, включающее полый корпус, в составе обсадной колонны, рабочую пробку, срезное посадочное седло под рабочую пробку, установленное в нижней внутренней части обсадной колонны, мягкую оболочку, размещенную в собранном виде на наружной поверхности корпуса выше срезного посадочного седла, пружинные отклонители, одни концы которых жестко связаны с наружной поверхностью корпуса, а другие - с одним из концов мягкой оболочки, которые зафиксированы в транспортном положении втулкой, связанной с корпусом штифтами, выполненными с возможностью их разрушения при взаимодействии с рабочей пробкой (см., например, авторское свидетельство СССР № 1039267, 15.08.1988).

Существенным недостатком устройства является возможность отказа в приведении его в рабочее положение в скважине из-за возможного преждевременного разрушения штифтов втулки без перемещения самой втулки, фиксирующей мягкую оболочку в транспортном положении. Такой случай возможен при значительной скорости перемещения рабочей пробки. Другим недостатком устройства является низкая надежность защиты продуктивного пласта от его кольматации, обусловленная практически неизбежным сползанием мягкой оболочки вниз по стенке скважины, например, после продавки цементного раствора в заколонное пространство скважины, из-за отсутствия средств фиксации другого (верхнего) конца этой оболочки к стенке скважины.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности срабатывания устройства за счет исключения влияния на него динамических явлений в скважине и повышение надежности перекрытия продуктивного пласта мягкой оболочкой по всей толщине продуктивного пласта за счет обеспечения фиксации всех концов мягкой оболочки к стенке скважины.

Необходимый технический результат достигается тем, что устройство для цементирования скважины включает полый корпус в составе обсадной колонны, рабочую пробку, патрубок, срезное посадочное седло под рабочую пробку, установленное в патрубке, в нижней внутренней части обсадной колонны, мягкую оболочку, размещенную в собранном виде на наружной поверхности корпуса, пружинные отклонители, одни концы которых жестко связаны с наружной поверхностью корпуса, а другие - с соответствующими концами мягкой оболочки, которые зафиксированы в транспортном положении дифференциальными втулками, связанными с корпусом полыми штифтами, выполненными с возможностью их разрушения при взаимодействии с рабочей пробкой и передачи рабочего давления из полости корпуса через полости штифтов в полости дифференциальных втулок для их перемещения, освобождения концов пружинных отклонителей с мягкой оболочкой и расправления последней в радиальном направлении в рабочем положении устройства с прижатием концов мягкой оболочки к стенке скважины.

Кроме того:

мягкая оболочка собрана на наружной поверхности корпуса с образованием продольных гофр;

обсадная колонна в нижней ее части имеет патрубок для срезного посадочного седла, при этом патрубок выполнен с упором для срезного посадочного седла, верхними и нижними циркуляционными отверстиями и обводным каналом против упора для гидравлического сообщения полости патрубка над рабочей пробкой с полостью этого патрубка под рабочей пробкой через верхние циркуляционные отверстия, обводной канал и нижние циркуляционные отверстия в рабочем положении устройства;

мягкая оболочка выполнена из прорезиненной ткани;

устройство выполнено секционным в виде последовательно размещенных одна над другой секций, дополнительных к основной, с мягкой оболочкой и средствами ее крепления к корпусу в каждой из секций.

На фиг.1 изображен общий вид устройства в его транспортном положении.

На фиг.2 показано поперечное сечение устройства с изображением положения мягкой оболочки в транспортном положении, т.е. в ее собранном виде на наружной поверхности корпуса, например, с образованием продольных гофр.

На фиг.3 показано устройство в его рабочем положении, когда мягкая оболочка расправлена в радиальном направлении с прижатием ее верхнего и нижнего концов пружинными фиксаторами к стенке скважины.

Устройство включает полый корпус 1, рабочую пробку 2, срезное посадочное седло 3 под рабочую пробку 2, установленное в патрубке, в нижней внутренней части обсадной колонны. Рабочая пробка 2 служит для приведения устройства в рабочее положение.

На наружной поверхности корпуса 1 размещена в собранном виде мягкая оболочка 4. Также на наружной поверхности корпуса 1, точнее между корпусом и мягкой оболочкой 4, размещены верхние пружинные отклонители 5 и нижние пружинные отклонители 6. Одни концы пружинных отклонителей 5 и 6 жестко связаны с наружной поверхностью корпуса 1. Другие концы этих пружинных отклонителей связаны с соответствующими концами мягкой оболочки 4. Т.е. верхние концы пружинных отклонителей 5 связаны с верхним концом мягкой оболочки 4, а нижние концы пружинных отклонителей 6 связаны с нижним концом мягкой оболочки 4. Концы пружинных отклонителей 5 и 6, которые связаны с концами мягкой оболочки 4, зафиксированы в транспортном положении верхней дифференциальной втулкой 7 и нижней дифференциальной втулкой 8. Против этих втулок в корпусе 1 установлены полые штифты 9, 10. Полые штифты 9, 10 выполнены с возможностью их разрушения при взаимодействии с рабочей пробкой 2 и передачи рабочего давления из полости корпуса 1 через полости штифтов 9, 10 в полости 11, 12 дифференциальных втулок 7, 8. Полости 11, 12 образованы дифференциальными втулками 7, 8 с корпусом.

Мягкая оболочка 4 может быть выполнена, например, из прорезиненной ткани и собрана на наружной поверхности корпуса 1 в ее транспортном положении, например, с образованием продольных гофр 13 (фиг.2).

Обсадная колонна имеет в своем составе, в нижней ее части, патрубок 14 для срезного посадочного седла 3, упор 15 для этого седла в его конечном положении и обводной канал 16 против упора 15 с рабочей пробкой 2 на нем. Обводной канал 16 может быть выполнен, например, в виде кольцевой полости, образованной патрубком 14 и, например, кожухом 17. Назначение обводного канала 16 - обеспечение возможности гидравлического сообщения полости патрубка 14 над рабочей пробкой 2 с полостью этого патрубка под рабочей пробкой 2 в рабочем положении устройства. Это гидравлическое сообщение в рабочем положении устройства обеспечено через верхние 18 и нижние 19 циркуляционные отверстия, выполненные в патрубке 14, и обводной канал 16.

Кроме того, на фиг. 1, 2 показаны центраторы 20, установленные на корпусе для защиты мягкой оболочки при ее транспортировке по скважине. Верхние и нижние дифференциальные втулки 7, 8 зафиксированы на корпусе срезными элементами 21. Посадочное седло 3 зафиксировано на корпусе 1 срезным элементом 22. Дифференциальные втулки 7, 8 выполнены, например, с внутренними кольцевыми проточками 23 по их торцам со стороны мягкой оболочки 4 для возможности фиксации этой оболочки в транспортном положении устройства. Для обеспечения герметизации полостей 11, 12 дифференциальных втулок 7, 8 устройство содержит уплотнительные элементы 24. На фиг.3 показана также стенка скважины 25, к которой в рабочем положении устройства прижаты верхняя часть 26 и нижняя часть 27 мягкой оболочки 4, которая в расправленном (рабочем) положении образует с внешней поверхностью корпуса 1 канал 28. Для обеспечения собственно цементирования на фиг.3 показана верхняя цементировочная пробка 29 (пунктиром).

При большой толщине продуктивного пласта устройство может содержать несколько последовательно размещенных одна над другой секций с мягкой оболочкой и средствами ее крепления к корпусу в каждой из этих секций.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от толщины продуктивного пласта в скважину спускают одну или несколько заранее изготовленных секций устройства для цементирования, которые устанавливают одну над другой, например, в составе обсадной эксплуатационной колонны.

Для повышения надежности доставки устройства в скважину его оснащают центраторами 20. После установки устройства в заданный интервал скважины против продуктивного пласта осуществляют продавку рабочей пробки 2. При прохождении через устройство рабочая пробка 2 последовательно разрушает полые штифты, например, штифты 9, 10, и садится на срезное посадочное седло 3.

При повышении давления в полости обсадной колонны и, соответственно, полости устройства скважинная жидкость через разрушенные полые штифты 9, 10 поступает в полости 11, 12 верхней и нижней дифференциальных втулок 7, 8. Под действием давления срезаются элементы 21. Верхняя и нижняя дифференциальные втулки 7, 8 перемещаются в осевом направлении вдоль корпуса, при этом концы пружинных отклонителей 5 и 6 с верхним и нижним концами мягкой оболочки 4 выходят из внутренних кольцевых проточек 23 дифференциальных втулок 7, 8 и расширяются до упора в стенку скважины 25, увеличивая поперечные размеры мягкой оболочки 4.

При дальнейшем повышении давления в полости обсадной колонны происходит срез элемента 22 для крепления посадочного седла 3 и перемещение последнего вместе с рабочей пробкой 2 до упора 15. При дальнейшей циркуляции скважинная жидкость через верхние 18 и нижние 19 циркуляционные отверстия, обводной канал 16 и башмак обсадной колонны (не показан) поступает в заколонное пространство обсадной колонны и ее кольцевое пространство 28, образованное внутренней поверхностью мягкой оболочки 4 и наружной поверхностью корпуса 1. При этом происходит разрушение элементов крепления мягкой оболочки 4, например, клеевого покрытия или разрывных бандажей продольно гофрированной мягкой оболочки.

Под действием давления циркулирующей скважинной жидкости мягкая оболочка окончательно расправляется по всей ее длине и прижимается к стенке скважины против продуктивного пласта с фиксацией ее концов пружинными отклонителями 5, 6.

Таким образом перед цементированием обеспечена надежная защита продуктивного пласта от цементного раствора.

После закачивания расчетного объема цементного раствора в обсадную колонну помещают верхнюю цементировочную пробку 29 (фиг.3). После посадки этой пробки на рабочую пробку 2, сигналом чего является резкое повышение давления, процесс цементирования считается законченным.

Формула изобретения

1. Устройство для цементирования скважины, включающее полый корпус в составе обсадной колонны, рабочую пробку, патрубок, срезное посадочное седло под рабочую пробку, установленное в патрубке, в нижней внутренней части обсадной колонны, мягкую оболочку, размещенную в собранном виде на наружной поверхности корпуса, пружинные отклонители, одни концы которых жестко связаны с наружной поверхностью корпуса, а другие - с соответствующими концами мягкой оболочки, которые зафиксированы в транспортном положении дифференциальными втулками, связанными с корпусом полыми штифтами, выполненными с возможностью их разрушения при взаимодействии с рабочей пробкой и передачи рабочего давления из полости корпуса через полости штифтов в полости дифференциальных втулок для их перемещения, освобождения концов пружинных отклонителей с мягкой оболочкой и расправления последней в радиальном направлении в рабочем положении устройства с прижатием концов мягкой оболочки к стенке скважины.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что мягкая оболочка собрана на наружной поверхности корпуса с образованием продольных гофр.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что обсадная колонна в нижней ее части имеет патрубок для срезного посадочного седла, при этом патрубок выполнен с упором для срезного посадочного седла, верхними и нижними циркуляционными отверстиями и обводным каналом против упора для гидравлического сообщения полости патрубка над рабочей пробкой с полостью этого патрубка под рабочей пробкой через верхние циркуляционные отверстия, обводной канал и нижние циркуляционные отверстия в рабочем положении устройства.

4. Устройство по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что мягкая оболочка выполнена из прорезиненной ткани.

5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что оно выполнено секционным в виде последовательно размещенных одна над другой секций, дополнительных к основной, с мягкой оболочкой и средствами ее крепления к корпусу в каждой из секций.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3