устройство для цементирования скважины

Формула изобретения

Устройство для цементирования скважины, включающее полый корпус с радиальными отверстиями, полые разрушаемые штифты, помещенные в радиальных отверстиях, цементировочную корзину с пружинными лепестками, дифференциальную втулку, помещенную снаружи корпуса над цементировочной корзиной против полых разрушаемых штифтов, поджимающую нижней частью пружинные лепестки по их внешней поверхности к внешней поверхности корпуса и образующую верхней частью с последним герметичную кольцевую полость, при этом устройство выполнено с возможностью сообщения полости корпуса через полости штифтов с кольцевой полостью в рабочем положении устройства, перемещения дифференциальной втулки в крайнее верхнее положение, освобождения пружинных лепестков и последующего осаживания дифференциальной втулки в крайнее нижнее положение для окончательного раскрытия пружинных лепестков.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к строительству и эксплуатации нефтяных и газовых скважин и, в частности, к оснастке обсадных колонн для цементирования скважины.

Известно устройство для цементирования скважины, включающее корпус с отверстиями и манжету, установленную на наружной поверхности корпуса с механизмом ее привода в рабочее положение (см., например, SU 740935, 15.06.1980).

Недостатком известного устройства является низкая надежность его работы из-за частых отказов механизма привода манжеты в рабочее положение. Кроме того, с данным устройством сложно «отследить» профиль поперечного сечения скважины и надежно его перекрыть. Сложный профиль поперечного сечения обусловлен наличием каверн, желобов, образующихся в процессе бурения и спуско-подъемных операций в процессе строительства наклонно-направленных скважин.

Известно также устройство для цементирования скважины, включающее корпус, патрубок с входными и выходными циркуляционными отверстиями, помещенный снаружи корпуса и образующий с ним кольцевую полость, и герметизирующий узел, установленный на наружной поверхности патрубка между входными и выходными циркуляционными отверстиями (см., например, RU 2163657, 27.02.2001).

Недостаток указанного устройства заключается в жесткости его конструкции, кроме того, герметизирующий узел устройства в процессе спуска его в скважину перекрывает затрубное пространство и создает дополнительное гидравлическое сопротивление, что приводит к сальникообразованию и затрудняет спуск устройства, а также увеличивает давление при промывке скважины и тем самым повышает вероятность гидроразрыва пластов. Кроме того, герметизирующий узел, перекрывая затрубное пространство в процессе спуска в скважину, сам подвержен значительным нагрузкам и деформациям, что резко снижает эксплуатационные показатели устройства. В рабочем положении устройство не обеспечивает надежного перекрытия затрубного пространства скважины, что не препятствует расслоению цементного раствора по высоте его столба в скважине в процессе схватывания. В результате необходимое качество цементирования кольцевого - затрубного пространства скважины не обеспечивается.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства и более высокой степени перекрытия кольцевого пространства скважины в зоне устройства для управления седиментационными явлениями в процессе схватывания цементного раствора.

Необходимый технический результат достигается тем, что устройство для цементирования скважины включает полый корпус, с радиальными отверстиями, полые разрушаемые штифты, помещенные в радиальных отверстиях, цементировочную корзину с пружинными лепестками, дифференциальную втулку, помещенную снаружи корпуса над цементировочной корзиной против полых разрушаемых штифтов, поджимающую нижней частью пружинные лепестки по их внешней поверхности к внешней поверхности корпуса и образующую верхней частью с последним герметичную кольцевую полость, при этом устройство выполнено с возможностью сообщения полости корпуса через полости штифтов с кольцевой полостью в рабочем положении устройства, перемещения дифференциальной втулки в крайнее верхнее положение, освобождения пружинных лепестков и последующего осаживания дифференциальной втулки в крайнее нижнее положение для окончательного раскрытия пружинных лепестков.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство в транспортном положении имеет минимальные габариты, что не осложняет спуск устройства в скважину, не осложняет ее ствол и не препятствует осуществлению технологических операций в процессе спуска, например, промывке. Пружинные лепестки цементировочной корзины в транспортном положении могут занимать компактное положение. В рабочем положении они расправлены и могут повторять конфигурацию ствола скважины в ее поперечном сечении. При этом за счет осаживания дифференциальной втулки в крайнее нижнее положение и ее взаимодействия с элементами цементировочной корзины повышена надежность раскрытия последних до степени силового взаимодействия со стенкой скважины, что в значительной степени повышает надежность перекрытия кольцевого пространства скважины. В случае выполнения элементов цементировочной корзины раздвижными надежность перекрытия кольцевого пространства скважины может быть еще более повышена. Все это в той или иной степени обеспечивает возможность с помощью данного изобретения создания центра или центров седиментации цементного раствора в затрубном пространстве скважины там, где необходимо наиболее высокое качество цементирования (например, в районе башмака обсадной колонны, в зоне или зонах, опасных по проявлениям газа и/или воды). Без этого устройства в результате седиментационных явлений в цементном растворе максимальная его плотность и качество ожидаются только в нижней части скважины. В верхней и средней частях скважины качество изоляции кольцевого пространства, как правило, резко снижено.

На фиг.1 показан общий вид устройства.

Устройство для цементирования скважины включает полый корпус 1, с радиальными отверстиями 2, полые разрушаемые штифты 3, помещенные в радиальных отверстиях 2. Устройство имеет цементировочную корзину в виде частично перекрывающих друг друга пластин 4 с пружинными лепестками 5, жестко закрепленными в верхней части (например, заклепками, пайкой или электроконтакной сваркой) друг с другом, кольца 6 и обжимной гильзой 7. Пластины 4 закреплены на внутренней поверхности пружинных лепестков 5 и образуют с последними пружинную обечайку. Снаружи корпуса 1 над цементировочной корзиной против полых разрушаемых штифтов 3 размещена дифференциальная втулка 8, поджимающая (заневоливающая) нижней частью пружинные лепестки 5 по их внешней поверхности к внешней поверхности корпуса 1. Дифференциальная втулка 8 образует верхней частью с корпусом 1 герметичную кольцевую полость 9. Устройство выполнено с возможностью сообщения полости корпуса 1 через полости штифтов 3 с кольцевой полостью 9 в рабочем положении устройства, перемещения дифференциальной втулки 8 в крайнее верхнее положение, освобождения пружинных лепестков 5 и последующего осаживания дифференциальной втулки 8 в крайнее нижнее положение для взаимодействия с элементами цементировочной корзины и окончательного раскрытия пружинных лепестков 5. Для обеспечения необходимого взаимодействия дифференциальной втулки 8 с элементами цементировочной корзины (пластинами 4) рассчитывают длину дифференциальной втулки 8, ее ход в крайнее верхнее и нижнее положения, время выдержки устройства под избыточным давлением (не меньшим инерционности срабатывания устройства с расправлением пружинных лепестков), геометрию пружинных лепестков 5.

Кроме того, отмечается, что корпус по внешней поверхности выполнен с кольцевыми проточками 10, 11, 12, в которых посредством обжимного устройства (не показано) жестко установлены кольца 13, 14 и ранее упомянутое кольцо 6 соответственно. Дифференциальная втулка 8 закреплена на корпусе с помощью срезного штифта 15. Пружинные лепестки 5 жестко закреплены на кольце 6 обжимной гильзой 7 и обжимным упором 16. Необходимая герметичность устройства обеспечена уплотнительными кольцами 17.

Данное устройство устанавливают в составе обсадной колонны (условно не показана) в заданных количествах по длине этой колонны в зависимости от поставленной задачи - от того, где необходимо обеспечение наиболее качественного цементирования. Устройство обеспечивает основу для седиментационных явлений в цементном растворе. Равномерное рассредоточение этих устройств по длине обсадной колонны уравновешивает качество изоляции затрубного - кольцевого пространства этой колонны по ее длине. Без этого устройства расслоение цементного раствора проявляется в более явной степени, что ведет к резкому снижению качества цементирования.

Устройство работает следующим образом.

Устройство устанавливают в составе обсадной колонны в заданном интервале или интервалах ствола скважины. В процессе цементирования скважины цементировочная пробка (условно не показана), проходя по внутреннему каналу корпуса 1, разрушает полый штифт 3. После окончания процесса цементирования в обсадной колонне и корпусе повышают давление до заданной величины. Избыточное давление через разрушенный полый штифт 3 передается в кольцевую камеру 9. При этом происходит срез шрифта 15, перемещение дифференциальной втулки 8 в крайнее верхнее положение, освобождение пружинных лепестков 5 с пластинами 4. Избыточное давление выдерживают в течение установленного времени для гарантии срабатывания устройства и перемещения дифференциальной втулки 8 в крайнее верхнее положение. Наличие пружинных лепестков 5 гарантирует в любом случае начальное раскрытие цементировочной корзины. После сбрасывания избыточного давления в корпусе 1 дифференциальная втулка 8 осаживается под действием силы от гидростатического давления столба цементного раствора в затрубном пространстве обсадной колонны в крайнее нижнее положение, взаимодействует с пластинами 4, связанными с пружинными лепестками 5, и уже окончательно с дополнительным силовым воздействием обеспечивает раскрытие пружинных лепестков и прижатие их к стенке скважины. Для этого пружинные лепестки 5 могут быть выполнены с определенной геометрией, обеспечивающей лучшее взаимодействие дифференциальной втулки с элементами пружинной корзины. Отсутствие щелевого зазора между частично перекрывающими друг друга пластинами 4 исключает смещение тампонажного раствора вниз - ниже устройства и таким образом создает более надежную платформу для седиментации твердой фазы тампонажного раствора. На ней самопроизвольно формируется уплотненная цементная перемычка, препятствующая опусканию столба цементного раствора.