устройство для защиты цементного камня от разрушения при перфорации

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЦЕМЕНТНОГО КАМНЯ ОТ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ ПЕРФОРАЦИИ, включающее патрубок с кольцевым наружным выступом и втулку, образующие между собой телескопическое соединение и замкнутую кольцевую полость переменного сечения, и эластичный уплотнительный элемент, помещенный в замкнутой кольцевой полости, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе устройства за счет снижения вероятности нарушения контакта цементного камня с обсадными трубами на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания акустических колебаний при перфорации, оно снабжено сферическим стопорным элементом, а втулка выполнена составной и образует с патрубком над замкнутой кольцевой полостью рабочую кольцевую полость, против которой патрубок выполнен с наружным продольным пазом, а втулка - с внутренним пазом под сферический стопорный элемент, при этом кольцевой наружный выступ патрубка выполнен в виде трапецеидальной спирали, под которую на внутренней поверхности втулки выполнены пазы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для строительства скважин, преимущественно на нефть и газ, и может быть использовано при креплении скважин для предупреждения растрескивания цементного камня на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания акустических колебаний при перфорации, а также для компенсации осевых нагрузок, возникающих в результате деформации пластов или в результате температурного расширения обсадных колонн при закачке в пласт теплоносителя в процессе эксплуатации скважины.

Известно устройство для компенсации температурного расширения обсадных колонн, выполненное в виде телескопически соединенных левой резьбой двух труб с сальником и разрезными стопорными кольцами.

Недостатком устройства является невозможность предотвращения разрушения цементного кольца выше и ниже зоны перфорации на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания в цементном камне акустических колебаний, возникающих при проведении перфорации. Исследованиями установлено, что нарушение контакта цементного камня с обсадными трубами происходит на значительном удалении от зоны перфорации (до 200 м).

Затухание акустических колебаний, возникающих при проведении перфорации, в металле обсадных труб происходит медленнее, чем в цементном камне. Следовательно, на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания этих колебаний в цементном камне, но меньшем расстояния полного затухания колебаний в металле труб, растрескивание и отслоение цементного камня вызвано только распространением акустических колебаний по металлу обсадных труб.

Таким образом, для предотвращения нарушения контакта цементного камня с обсадными трубами на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания в цементном камне акустических колебаний, возникающих при проведении перфорации, необходимо предотвратить распространение этих колебаний по металлу обсадных труб на расстояния, превышающие расстояния полного затухания в цементном камне акустических колебаний, возникающих при проведении перфорации.

Известно также устройство для предотвращения разрушения обсадных колонн в скважинах, включающее патрубок с кольцевым наружным выступом и втулку, образующие между собой телескопическое соединение, замкнутую кольцевую полость переменного сечения и эластичный уплотнительный элемент, помещенный в замкнутой кольцевой полости, причем торцовые поверхности втулки и патрубка имеют зубья.

Недостатком этого устройства является то, что оно также не предотвращает распространение по обсадным трубам акустических колебаний, возникающих при проведении перфорации.

Наличие непосредственного контакта патрубка и втулки по значительной площади поверхности способствует передаче колебаний от патрубка втулке, и наоборот. Поскольку весь вес обсадных труб, расположенных ниже патрубка, передается на втулку через выступ патрубка, которым он опирается на втулку, этот контакт сохраняется и после схватывания тампонажного раствора. Кроме того, недостатком этого устройства является возможность проворота патрубка относительно втулки после выхода из зацепления зубьев патрубка с зубьями втулки в процессе эксплуатации скважины под действием сжимающей нагрузки, возникающей вследствие деформации пластов. Это не позволяет устанавливать цементные мосты в скважинах, оборудованных известным устройством, поскольку вследствие проворота патрубка относительно втулки разбурить цементный мост в такой скважине невозможно.

Целью изобретения является повышение надежности работы устройства за счет снижения вероятности нарушения контакта цементного камня с обсадными трубами на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания в цементном камне акустических колебаний при перфорации.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для защиты цементного камня от разрушения при перфорации, включающее патрубок с кольцевым наружным выступом и втулку, образующие между собой телескопическое соединение, замкнутую полость переменного сечения и эластичный уплотнительный элемент, помещенный в замкнутой кольцевой полости, снабжено сферическим стопорным элементом, а втулка выполнена составной и образует с патрубком над замкнутой кольцевой полостью рабочую кольцевую полость, против которой патрубок выполнен с наружным продольным пазом, а втулка - с внутренним пазом под сферический стопорный элемент, при этом кольцевой наружный выступ патрубка выполнен в виде трапецеидальной спирали, под которую на внутренней поверхности втулки выполнены пазы.

Устройство для защиты цементного камня от разрушения при перфорации, показанное на чертеже, содержит патрубок 10 с кольцевым наружным выступом 6 и втулку, выполненную составной из верхней 1 и нижней 9 частей. Патрубок 10 и втулка образуют между собой телескопическое соединение. Между патрубком 10 и нижней частью 9 втулки имеется замкнутая полость переменного сечения, в которой установлен уплотнительный элемент 8. Устройство снабжено сферическим стопорным элементом 5. Верхняя часть 1 втулки образует с патрубком 10 над замкнутой кольцевой полостью рабочую кольцевую полость 3, против которой патрубок 10 выполнен с наружным продольным пазом 2, а втулка - с внутренним пазом 4 под сферический стопорный элемент 5, при этом кольцевой наружный выступ 6 патрубка 10 выполнен в виде трапецеидальной спирали, под которую на внутренней поверхности нижней части 9 втулки выполнены пазы 7. Контакт между верхней частью 1 втулки и патрубком 10 сведен до минимума наличием между ними рабочей кольцевой полости 3, в результате чего непосредственный контакт между патрубком 10 и втулкой осуществляется в основном только через сферический стопорный элемент 5.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливается на обсадных трубах выше и ниже зоны перфорации. Предпочтительно устанавливать устройство на удалении от зоны перфорации, равном расстоянию полного затухания в цементном камне акустических колебаний, возникающих при проведении перфорации. При спуске устройства в скважину в составе обсадной колонны вес части обсадной колонны, находящейся ниже устройства, воспринимается эластичным уплотнительным элементом 8, на который опирается кольцевой наружный выступ 6 патрубка 10. Трапецеидальное поперечное сечение выступа 6 на наружной поверхности патрубка 10 обеспечивает создание радиального усилия, с которым патрубок 10 воздействует на нижнюю часть 9 втулки через эластичный уплотнительный элемент 8, удерживая втулку в разжатом напряженном состоянии при спуске устройства в скважину и обеспечивая сохранение этого состояния после схватывания тампонажного раствора. Даже в том случае, если в процессе эксплуатации на этот участок обсадной колонны возникает усилие, направленное вверх (например, в результате увеличения температуры при закачке теплоносителя или в результате деформации пластов), то за счет трапецеидального выполнения выступа 6 на наружной поверхности патрубка 10 также возникает радиальное усилие, с которым уплотнительный элемент 8 воздействует на втулку.

Выполнение выступа 6 на патрубке 10 в виде трапецеидальной спирали увеличивает опорную поверхность уплотнительного элемента 8, что предотвращает разрушение последнего в процессе спуска обсадной колонны под действием веса обсадных труб, расположенных ниже устройства, и, кроме того, увеличивает поглощающие способности устройства по отношению к акустическим колебаниям, возникающим при проведении перфорации.

Применение предлагаемого устройства позволит:

предохранять цементный камень от растрескивания в процессе перфорации на расстоянии, превышающем расстояние полного затухания в цементном камне акустических колебаний, возникающих от действия перфорации;

предотвратить проворот обсадной колонны в процессе спуска, крепления и эксплуатации, что позволяет беспрепятственно выполнять внутриколонное разбуривание при цементировании скважин с применением муфт ступенчатого цементирования или установке в скважинах цементных мостов;

предотвратить разрушение обсадных колонн за счет компенсации осевых нагрузок, возникающих в результате деформации пластов или в результате температурного расширения колонн при закачке в пласт теплоносителя, а также других воздействий в процессе эксплуатации скважины.