устройство для соединения-разъединения и повторного соединения колонны насосно-компрессорных или бурильных труб с мостовой пробкой

Формула изобретения

Устройство для соединения-разъединения и повторного соединения колонны насосно-компрессорных или бурильных труб с мостовой пробкой, состоящее из головки, включающей корпус в виде полого цилиндра, узел фиксации, состоящий из переходника, жестко соединенного с корпусом и снабженного в верхней части присоединительной резьбой, и узел герметизации в виде уплотнительного элемента, обеспечивающего сопряжение внутренней поверхности корпуса и одной из поверхностей детали устройства, и механизма управления, включающего шток, телескопически установленный в нижней части устройства, и концентрично установленную полую цилиндрическую направляющую, имеющую фигурные пазы для перемещения управляющего элемента, отличающееся тем, что в узле герметизации уплотнительный элемент обеспечивает сопряжение как внутренней поверхности корпуса, так и наружной поверхности нижней части переходника, а механизм управления дополнительно содержит наконечник, жестко соединенный со штоком, верхняя часть которого выполнена в виде полусферы, имеющей по наружной поверхности симметричные продольные пазы с отверстиями, заканчивающимися в кольцевой проточке, выполненной от верхней полусферической части наконечника по его внутренней поверхности, и гидравлически связанной с внутренней полостью головки, причем управляющий элемент в виде шпонки размещен на внешней поверхности наконечника, а полая цилиндрическая направляющая жестко связана с корпусом, при этом ее фигурный паз, обеспечивающий перемещение шпонки, выполнен Z-образной формы и имеет начало в левой нижней части полой цилиндрической направляющей, причем правая и левая вертикальные составляющие фигурного паза равны между собой, а длина его горизонтальной части определена из условия поворота головки, совмещенной с насосно-компрессорными или бурильными трубами на угол, величина которого составляет не менее 270^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для применения в процессе бурения и эксплуатации скважин.

Анализ существующего уровня техники показал следующее:

принципиальной разницы между устройствами, соединяющими и разъединяющими внутрискважинное оборудование, ввиду аналогичности проводимых процессов, не существует. В связи с этим выбраны аналоги, имеющие схожие конструктивные особенности, но соединяющие - разъединяющие пакера.

- известно устройство для соединения и разъединения колонны труб с пакером (см. а. с. 1606684 от 18.10.87 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 42, 1990 г.). Конструкция устройства обеспечивает гидравлическое сообщение затрубного и внутритрубного пространства. Устройство содержит корпус и муфту, соединенную с ниппелем. Ниппель и муфта имеют радиальные каналы, образующие между собой кольцевую полость, в которой находится зафиксированный срезным элементом поршень с радиальными отверстиями. В нижней части ниппеля установлен толкатель с радиальными каналами. На наружной поверхности ниппеля выполнен кольцевой выступ для взаимодействия с поршнем в его крайнем положении. Радиальные каналы муфты выполнены выше кольцевого выступа для сообщения полости внутри ниппеля с пространством за муфтой в крайнем нижнем положении поршня.

Недостатком известной конструкции является ее неэффективность, т.к. при разъединении колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) с устройством в затрубном пространстве после герметизации устья скважины создается давление, превышающее давление в колонне НКТ; операции с использованием устройства невозможны в фонтанирующей скважине, в которую спущена колонна НКТ, т.к. загерметизировать ее на устье нечем из-за отсутствия противовыбросового оборудования такого минимального размера, а если загерметизировать устье без применения противовыбросового оборудования, то такие операции будут ненадежны и могут привести к открытому фонтану;

- в качестве прототипа взято устройство для соединения колонны труб с пакером (см. а. с. 1201487 от 13.07.84 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 48, 1985 г.). Устройство состоит из корпуса в виде полого цилиндра; узла фиксации, состоящего из переходника, жестко соединенного с корпусом и втулкой, и снабженного в верхней части присоединительной резьбой; узла герметизации в виде уплотнительных элементов, обеспечивающих сопряжение внутренней поверхности корпуса и наружной поверхности патрубка, а также внутренней поверхности патрубка и наружной поверхности штока; механизма управления, включающего шток, телескопически установленный в нижней части устройства, концентрично установленную гильзу (полую цилиндрическую направляющую), на которой размещен многоступенчатый (фигурный) паз, с расположенным в нем с возможностью перемещения шариком (управляющим элементом).

Недостатком известной конструкции является ее неэффективность, обусловленная неработоспособностью отдельных позиций устройства:

- при операции "разъединение" гильза при помощи толкателя перемещается вверх, а шарик, находящийся в многоступенчатом фигурном пазу почему-то, по мнению авторов, попадает в нижнее фиксированное положение, а на самом деле должен переместиться вверх;

- аналогичное положение происходит и с захватами, вложенными в окна патрубка, которые также перемещаются вниз, по мнению авторов, а на самом деле должны перемещаться вверх;

- шарик свободен при вертикальном перемещении, что может привести к некачественному разъединению или последующему соединению, т.е. к аварии на скважине.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему: повышается эффективность работы устройства за счет обеспечения возможности неоднократного соединения и отсоединения колонны труб с мостовой пробкой.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, состоящего из головки, включающей корпус в виде полого цилиндра, узел фиксации, состоящий из переходника, жестко соединенного с корпусом и снабженного в верхней части присоединительной резьбой, и узел герметизации в виде уплотнительного элемента, обеспечивающего сопряжение внутренней поверхности корпуса и одной из поверхностей детали устройства, и механизма управления, включающего шток, телескопически установленный в нижней части устройства, и концентрично установленную полую цилиндрическую направляющую, снабженную фигурным пазом, с возможностью перемещения управляющего элемента, в котором в узле герметизации уплотнительный элемент обеспечивает сопряжение как внутренней поверхности корпуса, так и наружной поверхности нижней части переходника, а механизм управления дополнительно содержит наконечник, жестко соединенный со штоком, верхняя часть которого выполнена в виде полусферы, снабженный по наружной поверхности симметричными продольными пазами с отверстиями, заканчивающимися в кольцевой проточке, выполненной от верхней полусферической части наконечника по его внутренней поверхности, и гидравлически связанной с внутренней полостью головки, причем управляющий элемент в виде шпонки размещен на внешней поверхности наконечника, а полая цилиндрическая направляющая жестко связана с корпусом, при этом ее фигурный паз, обеспечивающий перемещение шпонки, выполнен Z-образной формы и имеет начало в левой нижней части полой цилиндрической направляющей, причем правая и левая вертикальные составляющие фигурного паза равны между собой, а длину его горизонтальной части определяют из условия поворота головки, совмещенной с насосно-компрессорными или бурильными трубами на угол, величина которого составляет не менее 270^o.

Устройство имеет головку и механизм управления мостовой пробкой.

На фиг.1 представлено устройство в соединенном положении.

На фиг. 2 представлен фрагмент полой цилиндрической направляющей (внутренняя поверхность).

На фиг.3 представлено устройство в рабочем положении в стволе скважины.

На фиг.4 представлено устройство в стволе скважины с рассоединенными головкой и механизмом управления.

Головка выполнена с возможностью поворота на колонне насосно-компрессорных или бурильных труб и состоит из корпуса 1, изготовленного в виде полого цилиндра, узла фиксации, содержащего переходник 2, соединяемый с корпусом 1 резьбой 3 и закрепленного в нем винтами 4. В верхней части переходник 2 снабжен резьбой насосно-компрессорных или бурильных труб (НК или БТ) 5. В состав головки также входит узел герметизации, состоящий из сопряженных поверхностей: наружной нижней части переходника 2 и внутренней корпуса 1, а также уплотнительного кольца 6.

Механизм управления мостовой пробкой состоит из концентрично установленной полой цилиндрической направляющей 7, закрепленной в нижней части к корпусу 1, винтами 8. Полая цилиндрическая направляющая 7 снабжена фигурным пазом 9 Z-образной формы, имеющим начало в ее левой нижней части. Причем правая и левая вертикальные составляющие фигурного паза 9 равны между собой, а длину его горизонтальной части определяют из условия поворота головки на угол, величина которого составляет не менее 270^o. В состав механизма управления также входит шток 10, телескопически установленный в верхней части мостовой пробки, на котором с помощью резьбы 11 закреплен цилиндрический наконечник 12, подкрепленный от последующего возможного отворота шайбой 13 и гайкой 14. Наконечник 12 в верхней части выполнен в виде полусферы, обеспечивающей равномерное соединение полой цилиндрической направляющей 7 с последним. На наружной поверхности наконечника 12 выполнены четыре симметрично расположенных продольных паза 15, в которых выполнены отверстия 16, размещенные в два ряда, концы которых находятся в кольцевой проточке 17, выполненной по внутренней поверхности наконечника 12 от его верхней полусферической поверхности на 2/3 его длины. Кольцевая проточка 17 наконечника 12 гидравлически связана с внутренней полостью головки, а в дальнейшем при соединении НК или БТ с их внутренними полостями. Кроме того, наружная поверхность наконечника 12 жестко связана со шпонкой 18 с возможностью перемещения последней по фигурному Z-образному пазу 9 полой цилиндрической направляющей 7. Причем длина шпонки 18 ориентировочно равна половине длины правой вертикальной составляющей фигурного паза 9.

Глубину установки мостовой пробки определяют в зависимости от глубины залегания пласта. Мостовую пробку с заявляемым устройством устанавливают на бурильных трубах под пластом для проведения вызова притока из пласта и на НКТ для проведения его соляно-кислотной обработки.

Для условий Ставропольского газового месторождения глубина установки мостовой пробки с заявляемым устройством составляет 800 м от поверхности земли. В основном используют мостовую пробку марки ПМИ-140.

Поворот головки на угол, равный 270^o, объясняется следующими причинами: колонна НК или БТ на устье скважины при повороте набирает кривизну, т.е. спираль, что обусловлено глубиной размещения заявляемого устройства с мостовой пробкой. Контролируемый поворот колонны труб на 360^o на устье соответствует повороту устройства на 270^o в скважине.

Длина левой и правой вертикальных составляющих Z-образного паза 9 обусловлена длиной шпонки 18. В нашем случае для наружного диаметра цилиндрического наконечника 12, равного 60 мм, ее длина составляет 48 мм. Крайнее верхнее положение шпонки 18 в левой и правой вертикальных составляющих фиксируют по индикатору веса буровой установки.

Горизонтальную длину Z-образного паза 9 рассчитывают исходя из следующих условий:

- наружный диаметр эксплуатационной колонны - 140 мм;

- толщина стенки эксплуатационной колонны - 10 мм, следовательно ее внутренний диаметр - 120 мм;

- наружный диаметр головки, учитывая возможность ее свободного перемещения по стволу эксплуатационной колонны - 100 мм;

- если учитывать толщину стенки корпуса головки, равную 10 мм, то наружный диаметр полой цилиндрической направляющей - 80 мм.

Для этого случая длину поворота головки на угол 360^o находят из условия

2r = 23,1440 = 251,2 мм.

При повороте головки на 270^o длина развертки или длина горизонтальной части Z-образного паза полой цилиндрической направляющей составит 188,4 мм, т.е.

Устройство работает следующим образом: сначала осуществляют монтаж устройства на поверхности.

Для этого собирают головку вместе с механизмом управления. На шток 10 навинчивают гайку 14 и надевают шайбу 13. На резьбу 11 штока 10 навинчивают цилиндрический наконечник 12 и соединение штока 10 с наконечником 12 закрепляют гайкой 14. Затем проводят первый этап регулировки механизма управления, заключающийся в том, что направляют шпонку 18 по левой вертикальной составляющей фигурного паза 9. При жестком контакте шпонки 18 с верхней частью левой вертикальной составляющей производят поворот головки влево на угол 270^o до момента соприкосновения шпонки с правой вертикальной составляющей фигурного паза 9. Подают головку вниз, что влечет за собой перемещение шпонки 18 вверх до ее жесткого контакта с верхней частью правой вертикальной составляющей.

Собранное и отрегулированное устройство вместе с мостовой пробкой свинчивают с переходником 2 в резьбе 5 с первой трубой НКТ или свечой бурильных труб и спускают в скважину с помощью стандартных элеваторов для НК или БТ на глубину 800 м (см. фиг.3, где 19 - эксплуатационная колонна, например 140 мм, 20 - насосно-компрессорные или бурильные трубы). После окончания спуска оборудуют устье цементировочной головкой, через которую насосами подают воду или буровой раствор. Одна из используемых жидкостей заходит в кольцевую проточку 17 цилиндрического наконечника 12, и по отверстиям 16 попадает в продольные пазы 15, и поступает под головку устройства. Гидравлическое давление на манжету мостовой пробки возрастает, что способствует подвешиванию плашек мостовой пробки на эксплуатационную колонну 19. После этого для проведения работ с мостовой пробкой необходимо отсоединить головку устройства вместе с полой цилиндрической направляющей от цилиндрического наконечника 12 и присоединенной к нему с помощью штока 10 мостовой пробки (см. фиг. 4). С этой целью опускают колонну НК или БТ вниз, что влечет за собой перемещение шпонки 18 по правой вертикальной составляющей фигурного паза 9 вниз до упора. Далее на устье скважины поворачивают влево колонну НК или БТ на 360^o, что влечет за собой поворот головки на 270^o. При этом шпонка 18 перемещается в крайнее левое положение по горизонтальной составляющей фигурного паза 9. Для последующего подъема головки вместе с полой цилиндрической направляющей 7 на НК или БТ20 последние поднимают, что приводит к перемещению шпонки 18 вниз по левой вертикальной составляющей фигурного паза 9 с последующим выходом из него, что определяют с помощью индикатора веса. Затем с помощью мостовой пробки производят следующие операции: вызов притока из пласта; проведение соляно-кислотной обработки; гидравлические испытания. После проведения этих работ НК или БТ20 вместе с головкой и полой цилиндрической направляющей 7 спускают в ствол скважины. При получении посадки головки вместе с полой цилиндрической направляющей 7 на наконечник 12 НК или БТ20 на устье скважины поворачивают вправо до захода шпонки 18 в левую вертикальную составляющую фигурного паза 9. Заход шпонки 18 в указанный паз определяют на устье с помощью индикатора веса. Затем колонну труб опускают вниз до упора шпонки 18 в верхнюю часть левой вертикальной составляющей фигурного паза 9. Поворотом вправо колонны НК или БТ регулируют перемещение шпонки 18 в крайнее правое положение по горизонтальной части фигурного паза 9. Затем поднимают колонну НК или БТ вверх, что влечет за собой срыв плашек мостовой пробки и подъем заявляемого устройства с последней на поверхность.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известен целый ряд устройств, обеспечивающих операции соединения - разъединения пакера с устройством для его спуска с помощью механики и гидравлики (а.с. 439586 от 10.05.71 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 30, 1974 г.; а.с. 535412 от 04.04.73 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 42, 1976 г.; а.с. 599047 от 01.08.75 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 11, 1978 г.; а.с. 1033705 от 16.01.81 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 29, 1983 г.).

Указанные технические решения по совокупности конструктивных элементов и выполняемой функции не совпадают с конструктивными элементами заявляемого устройства. Поэтому такие источники известности не мешают экспертизе сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условно изобретательского уровня. Также проведенные нами исследования выявили источники, а именно пакерующие устройства, имеющие в конструкции фигурные пазы, выполняющие иное назначение (например, в а.с. 1155719 от 05.11.83 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 18, 1985 г., защищающем конструкцию пакера, фигурный паз, выполненный на корпусе фрикционного фонаря обеспечивает размещение пальцев ствола и их фрикционное взаимодействие; в а.с. 735745 от 22.04.77 г. по кл. Е 21 В 33/12, опубл. в ОБ 19, 1980 г., защищающего конструкцию устройства для разобщения пластов, фигурный паз, выполненный на корпусе, является замковым регулятором нагрузки на последнем). На основании вышеизложенного считаем, что заявляемое техническое решение соответствует условию изобретательского уровня.

Предлагаемая конструкция устройства обеспечивает качественное соединение и разъединение НК или БТ с мостовой пробкой за счет особой конфигурации механизма управления, а также подвешивание мостовой пробки с помощью гидравлики за счет особой конструкции головки и наконечника, что в итоге приводит к надежному выполнению внутрискважинных операций.