муфта для ступенчатого цементирования скважин

Формула изобретения

1. Муфта для ступенчатого цементирования скважин, содержащая полый корпус с центральным и радиальным каналами, золотниковую втулку с радиальными отверстиями и элементами ее фиксации, установленную с возможностью осевого перемещения относительно корпуса, контейнер с радиальными отверстиями, посадочными седлами и кольцевыми уплотнениями, установленный на срезных элементах, перекрывающую и разделительную пробки, выполненные под посадочные седла контейнера, отличающаяся тем, что она снабжена верхней и нижней защитными втулками, жестко закрепленными на корпусе и образующими с ним и золотниковой втулкой верхнюю и нижнюю кольцевые камеры, заполненные несжимаемой жидкостью, а золотниковая втулка выполнена ступенчатой в верхней и нижней частях и установлена снаружи корпуса, при этом корпус выполнен с дополнительными радиальными каналами для гидравлической связи верхней и нижней кольцевых камер с центральным каналом корпуса и размещенными в дополнительных радиальных каналах верхними подвижными и нижними подвижными и подпружиненными пробками, а контейнер выполнен с наружными кольцевыми канавками под кольцевые уплотнения и установлен с возможностью взаимодействия с подвижными пробками.

2. Муфта по п.1, отличающаяся тем, что нижняя защитная втулка выполнена с радиальными отверстиями и установленными в них втулками со сквозными ступенчатыми цилиндрическими центральными каналами и заглушками, герметично перекрывающими последние с возможностью их радиального перемещения.

3. Муфта по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что золотниковая втулка выполнена со ступенью в верхней части, имеющей наружный диаметр больший, чем наружный диаметр ступени в нижней части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к креплению нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для ступенчатого цементирования скважин.

Известна муфта для ступенчатого цементирования обсадных колонн, содержащая корпус и кожух с циркуляционными отверстиями, посадочную втулку, установленную в осевом канале корпуса, контейнер, перекрывающую пробку и упорные шары (а. с. СССР N 1090852, кл. E 21 B 33/14, 1982).

Недостатком муфты является отсутствие надежной фиксации и защиты перекрывающих циркуляционные отверстия втулок от возможности сдвига вверх при подъеме из скважины труб с оборудованием.

Известна также муфта для ступенчатого цементирования обсадных колонн, содержащая корпус с цементировочными отверстиями, втулку, контейнер с посадочным седлом, кольцевые уплотнения, разделительные пробки (см. а. с. CCCP N 949160, кл. E 21 B 33/14, 1980).

Основной недостаток указанной конструкции - возможность случайного, неуправляемого открытия ее циркуляционных отверстий при цементировании первой ступени, поскольку втулка 3 зафиксирована относительно корпуса 1 ненадежно - не срезными винтами, а подпружиненными упорами 17, которые установлены во втулке, но не зафиксированы в корпусе.

В муфте затруднена также надежная фиксация золотниковой втулки в нижнем положении. И, наконец, затруднено, падение на забой контейнера муфты из-за манжеты 12 на его наружной поверхности, поскольку наружный диаметр манжеты большого внутреннего диаметра колонны и при осевом перемещении контейнера манжета не переводится в транспортное положение.

Изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении надежности работы муфты. Задача решается за счет исключения возможности преждевременного неуправляемого открытия радиальных каналов муфты при цементировании первой ступени, обеспечения надежного их закрытия в момент окончания цементирования второй ступени, а также удаления контейнера с пробками из центрального канала корпуса муфты.

Поставленная задача решается тем, что в муфте, содержащей полый корпус с центральным и радиальными каналами, золотниковую втулку с радиальными отверстиями и элементами ее фиксации, установленную с возможностью осевого перемещения относительно корпуса, контейнер с радиальными отверстиями, посадочным седлом и кольцевыми уплотнениями, установленный на срезных элементах, перекрывающую и разделительную пробки, выполненные под посадочные седла контейнера, для достижения поставленной задачи устройство снабжено верхней и нижней защитными втулками, жестко закрепленными на корпусе и образующими с ним и золотниковой втулкой верхнюю и нижнюю кольцевые камеры, заполненные несжимаемой жидкостью, а золотниковая втулка выполнена ступенчатой в верхней и нижней частях и установлена снаружи корпуса меньшей ступенью вверх, корпус выполнен с дополнительными радиальными каналами для гидравлической связи верхней и нижней кольцевых камер с центральным каналом корпуса и размещенными в дополнительных радиальных каналах верхними подвижными и нижними подвижными и подпружиненными пробками, а контейнер выполнен с наружными кольцевыми канавками под кольцевые уплотнения и установлен с возможностью взаимодействия с подвижными пробками, нижняя защитная втулка выполнена с радиальными отверстиями и установленными в них втулками со сквозными ступенчатыми цилиндрическими каналами и заглушками, герметично перекрывающими последние с возможностью их радиального перемещения, золотниковая втулка выполнена со ступенью в верхней части, имеющей наружный диаметр, больший чем наружный диаметр ступени в нижней части.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена муфта в транспортном положении, на фиг. 2 - то же, в момент прохождения через муфту нижней разделительной пробки и подготовки муфты к открытию радиальных отверстий, на фиг. 3 - муфта в момент посадки на седло контейнера падающей перекрывающей пробки в процессе промывки скважины выше муфты, после открытия радиальных отверстий в муфте, на фиг. 4 - то же, после окончания цементирования второй ступени, после посадки в контейнер верхней разделительной пробки, перекрытия радиальных отверстий в муфте золотниковой втулкой, в момент отделения контейнера от корпуса муфты, на фиг. 5 - муфта в период ОЗЦ и во время эксплуатации скважины, на фиг. 6 - разрез А-А на фиг. 2, на фиг. 7 - выносной элемент 5 на фиг. 4.

Муфта для ступенчатого цементирования скважин (фиг. 1) содержит полый цилиндрический корпус 1 с центральным 2 и радиальными 3 каналами, ступенчатую золотниковую втулку 4 с радиальными отверстиями 5, закрепленную элементами фиксации 6 в промежуточном положении на наружной поверхности корпуса 1 и контейнер 7 для перекрывающей и разделительной пробок с радиальными отверстиями 8, посадочным седлом 9 и кольцевыми уплотнениями (манжетами) 10. Контейнер 7 установлен в корпусе 1 с зазором, на срезных элементах 11 и 12, причем контейнер 7 имеет возможность ограниченного продольного перемещения относительно срезных элементов 12 без разрушения последних, благодаря размещению выступающих внутрь корпуса 1 концов элементов 12 в пазах 13, выполненных на наружной поверхности контейнера 7, в нижней его части. В корпусе 1 выполнены дополнительные радиальные каналы 14, в которых установлены подвижные пробки 15, связанные с пружинами 16. На концах золотниковой втулки 4 размещены верхняя 17 и нижняя 18 защитные втулки, жестко закрепленные на корпусе 1 и образующие с ним и золотниковой втулкой 4 кольцевые камеры 19 и 20, заполненные несжимаемой жидкостью и гидравлически связанные каналами 14 и 21 с центральным каналом корпуса 1. Контейнер 7 выполнен с наружными кольцевыми проточками 22 под кольцевые уплотнения 10. На внутренней поверхности верхней утонченной части золотниковой втулки 4 выполнены кольцевые проточки, в которых размещены фиксаторы 23 и 24, причем фиксатор 23 связан с втулкой 4 тарированным срезным элементом 25, а на наружной поверхности корпуса 1 выполнены ответные зубцам фиксатором кольцевые проточки 26 и 27 противоположно направленного профиля. Защитные втулки 17 и 18 жестко связаны с корпусом 1 винтами 28, в нижней части контейнера 7 установлены выступающие внутрь него срезные элементы 29, а в верхней части корпуса 1 с ним связана резьбой муфта 30. Втулка 18 имеет радиальные отверстия, в которых расположены втулки 33 и заглушки 32.

Муфта работает следующим образом.

Муфту опускают в скважину в составе обсадной колонны в положении, показанном на фиг. 1, и устанавливают в расчетном интервале между ступенями цементирования. При спуске колонны, промывках скважины, закачивании в колонну тампонажного раствора первой ступени цементирования и вытеснения его в затрубное пространство до прохождения через муфту нижней разделительной пробки, муфта надежно защищена от преждевременного неуправляемого открытия радиальных каналов 3 благодаря: заполнению кольцевых камер 19 и 20 несжимаемой жидкостью, служащей гидравлическим затвором (тормозом) гидравлически неуравновешенной в первоначальном положении золотниковой втулки 4; герметичному разобщению от центрального канала 2 муфты камер 19 и 20 посредством срезного элемента 11 с уплотнительным кольцом и подвижных пробок 15, установленных соответственно в радиальных каналах 14 и 21 корпуса 1; связи золотниковой втулки 4 с корпусом 1 элементами фиксации (тарированными срезными винтами).

При прохождении через муфту нижней разделительной пробки 31 (фиг. 2), последняя, войдя в контейнер 7, упирается в срезные элементы 29 и давление в колонне над пробкой 31 возрастает. Поскольку срезающая нагрузка элементов 29 выше нагрузки среза элементов 11, но ниже нагрузки среза элементов 12, первыми срезаются входящие в отверстия контейнера тарированные "ножки" элементов 11 и контейнер перемещается на ограниченное раcстояние вниз, до упора верхней частью пазов 13 в выступающие внутрь корпуса 1 "ножки" элементов 12, после чего останавливается. При этом верхний торец контейнера 7 опускается ниже отверстия 21, обеспечивая свободное удаление срезных элементов 11 внутрь корпуса 1, а напротив пробок 15 размещается проточка контейнера 7, уменьшенный диаметр которой также позволяет пробкам 15 беспрепятственно выйти из отверстий 14 внутрь корпуса 1 и разместиться между ним и контейнером 7. Этим муфта подготавливается к срабатыванию, однако преждевременного срабатывания не произойдет, поскольку давление в колонне выше затрубного и это давление удерживает пробки 15 от выхода из радиальных отверстий 14, пересиливая усилие пружин 16, и доступ к управляющему давлению из центрального канала 2 муфты к неуравновешенной площади золотниковой втулки 4 перекрыт. При дальнейшем повышении давления в колонне пробка 31 ломает срезные элементы 29 и движется к забою скважины.

По окончании цементирования первой ступени, после посадки нижней разделительной пробки на "стоп" - кольцо у башмака колонны, давление в цементировочной головке снижают до нуля. При этом подвижные пробки 15 выталкиваются из каналов 14 в зазор между корпусом 1 и контейнером 7 пружинами 16. При этом заглушки 32 (сечение А-А) подтягиваются в радиальном направлении к корпусу 1 в ступенчатом канале втулок 33 и способствуют выходу пробок 15 из каналов 14, устраняя эффект разряжения в камере 20 (фиг. 3). При повторном повышении давления в колонне до заданной величины, оно создает на торцевой площади золотниковой втулки 4, размещенной в кольцевой камере 20, неуравновешенное осевое усилие (поскольку эта площадь больше торцевой площади втулки 4, загерметизированной в кольцевой камере 19). Этим усилием срезаются элементы фиксации золотниковой втулки 4 и последняя перемещается вверх, выталкивая жидкостью, заполняющей камеру 19, срезной элемент 11 из канала 21. В верхнем положении, при котором совмещаются радиальные отверстия 3 в корпусе 1, -5 в золотниковой втулке 4 и -8 в контейнере 7, втулка 4 закрепляется фиксатором 23, взаимодействующим с кольцевыми проточками 26 на корпусе 1. В этом положении муфты производят промывку скважины выше муфты и в процессе промывки в колонну пускают падающую разделительную пробку 34, которая садится на седло 9 контейнера 7, герметично разобщает подмуфтовое и надмуфтовое пространство в колонне и предотвращает попадание тампонажного раствора второй ступени цементирования под муфту и формирование в колонне.

По окончании промывки производят закачивание в колонну и вытеснение из нее через отверстия муфты в затрубное пространство тампонажного раствора второй ступени цементирования верхней разделительной пробкой 35.

В конце цементирования второй ступени пробка 35 входит в контейнер 7 (фиг. 4) и герметично перекрывает радиальные отверстия 8. Давление в колонне повышают и, поскольку кольцевой зазор между корпусом 1 и контейнером 7 герметично перекрыт кольцевыми уплотнителями 10, прирост давления действует только на торцевую площадь верхнего утонченного участка золотниковой втулки 4, загерметизированного в кольцевой камере 19, на втулке 4 создается неуравновешенное осевое усилие в направлении сверху вниз и при достижении этим усилием заданной величины срезаются элементы 25, фиксатор 23 остается на месте, а золотниковая втулка 4 перемещается в крайнее нижнее положение и закрепляется на корпусе фиксатором 23. При этом нижний утонченный участок втулки 4 входит в герметичный контакт с уплотнительными резиновыми кольцами 36 и 37, и, так как площади поперечного сечения верхнего и нижнего утонченных участков втулки 4 равны, эта втулка становится уравновешенной и не испытывает осевых усилий, способствующих открытию радиальных отверстий муфты, при повышении давления в колонне. При выполнении муфты согласно пункту 3 формулы изобретения, площадь поперечного сечения верхнего утонченного участка золотниковой втулки 4 больше площади поперечного сечения нижнего утонченного участка и меньше площади поперечного сечения утолщенной средней части втулки 4 (Д > Д1 > Д2), поэтому открытие и закрытие муфты произойдет надежно, а после закрытия радиальных отверстий муфты всякое повышение давления в колонне будет создавать на втулке 4 неуравновешенное осевое усилие в направлении сверху вниз и удерживать втулку в закрытом положении, поэтому необходимость устанавливать фиксаторы 23 и 24 отпадает и значительно упрощается конструкция муфты.

При дальнейшем повышении давления в колонне, срезаются элементы 12 и контейнер 7 проталкивается вниз по колонне. Кольцевые уплотнения 10, испытывая трение о внутреннюю поверхность корпуса 1, "отстают" в своем осевом перемещении от контейнера 7 и западают в кольцевые проточки 22, образуя кольцевой зазор между своей наружной поверхностью и внутренней поверхностью обсадной колонны и обеспечивая контейнеру 7 возможность свободного погружения на забой скважины и исключая необходимость разбуривания контейнера и пробок, находящихся в нем. Муфта приобретает вид, показанный на фиг. 7. Вид Б более точно показывает взаимное расположение верхней защитной втулки 17, кольцевых проточек 27 на корпусе 1 фиксатора 24 и уплотнительных колец, герметизирующих в кольцевой камере 19 верхнего утонченного участка золотниковой втулки 4.