устройство для ступенчатого цементирования скважин

Формула изобретения

1. Устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее корпус и кожух с цементировочными и технологическими отверстиями, основную втулку с посадочным седлом, дифференциальную втулку с элементами фиксации, установленную с возможностью осевого перемещения между кожухом и корпусом, цементировочные пробки, верхний и нижний переходники, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительной втулкой, размещенной внутри нижнего переходника с посадочным седлом меньшего диаметра, чем диаметр посадочного седла основной втулки, размещенной между цементировочными отверстиями корпуса и кожуха, частично или полностью перекрывающими друг друга, и технологическими отверстиями корпуса, сообщающими внутритрубное пространство с кольцевой полостью, образованной сопрягаемыми внутренней поверхностью дифференциальной втулки и наружной поверхностью корпуса, при этом дифференциальная втулка верхним торцом связана с упругим элементом, а кольцевая полость герметизирована уплотнительными кольцами от действия наружного давления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упругий элемент выполнен в виде пружины, связанной другим концом с верхним переходником.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области заканчивания скважин, в частности к устройствам для ступенчатого цементирования обсадных колонн и хвостовиков.

Известны устройства (муфты) для ступенчатого цементирования эксплуатационных колонн, широко применявшихся в отечественной практике типа МСЦ-1 и МСЦ-2 (Булатов А.И. и др. Справочник инженера по бурению. М.: Недра, т.1, 1985, с.332-333).

Недостатком этих муфт является невозможность их использования в скважинах с большими углами наклона и горизонтальных скважинах, поскольку открытие заливочных отверстий производится путем сбрасывания падающей пробки (бомбы), которая при углах наклона более 25-30° не садится на седло муфты, заливочные отверстия не открываются и муфта не срабатывает; при разбуривании седла и бомбы возможны вращения втулки - заслонки и разгерметизация ее резиновых уплотнительных элементов.

Известна муфта для ступенчатого цементирования (патент РФ № 2074311, Е 21 В 33/14, оп. 27.02.97, бюл. № 6), содержащая корпус, в котором имеются отверстия, закрытые цилиндрическими пробками, зашпилькованными срезными тарированными шпильками, стальную заслонку, прикрепленную к корпусу с помощью срезных шпилек, разбуриваемую втулку, продавочную пробку второй ступени.

Недостатком данного устройства является неодновременное открытие циркуляционных отверстий второй ступени (как правило, открывается одно циркуляционное отверстие) из-за неравномерности среза шпилек, что приводит к одностороннему вытеснению бурового раствора цементным и в целом к некачественному цементированию в интервале установки устройства. Не перекрытое внутритрубное пространство под устройством приводит к образованию протяженных (до 50-80 м) зон смешения бурового раствора с цементным внутри обсадных труб под устройством, что приводит к дополнительным затратам по разбуриванию протяженной зоны смешения, образовавшейся после цементирования второй ступени.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для ступенчатого цементирования скважин (а.с. СССР № 840300, Е 21 В 33/14, оп. 23.06.81, бюл. № 23), включающее корпус и кожух с цементировочными отверстиями, установленный между корпусом и кожухом запорный золотник, срезную втулку с посадочным седлом, перекрывающую цементировочные отверстия, дифференциальную втулку, установленную между кожухом, запорным золотником и патрубком, цементировочные пробки и верхний и нижний переходники.

Недостатком известного устройства является возможность преждевременного смещения запорного золотника от действия пульсирующего давления при промежуточных промывках или при цементировании колонны, поскольку золотник удерживается в нерабочем положении за счет сил трения между корпусом и втулкой. Это приведет к преждевременному перекрытию цементировочных отверстий (б) и в целом к несработке устройства. На последней стадии цементирования манжеты (гофры) цементировочной пробки 20 могут вывернутся в обратную сторону от действия перепада давления (практика цементирования с применением данной конструкции цементировочных пробок показывает, что гофры выворачиваются при действии незначительного перепада давления). Это может привести к тому, что запорный золотник не сработает и не перекроет цементировочные отверстия в корпусе.

Еще одним недостатком известного устройства является невозможность его использования в скважинах с большими углами наклона и горизонтальных скважинах, поскольку открытие цементировочных отверстий в известном устройстве производится путем сбрасывания падающей пробки (бомбы), которая при углах наклона ствола скважины более 25-30° не садится на седло муфты, заливочные отверстия не открываются и устройство не срабатывает.

Таким образом, появилась проблема сконструировать такое устройство, которое при своей простоте и надежности обеспечивало бы цементирование как вертикальных, так и наклонных и горизонтальных скважин.

Указанную проблему решает предлагаемое устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее корпус и кожух с цементировочными и технологическими отверстиями, основную втулку с посадочным седлом, дифференциальную втулку с элементами фиксации, установленную с возможностью осевого перемещения между кожухом и корпусом, цементировочные пробки, верхний и нижний переходники, которое, согласно изобретению снабжено дополнительной втулкой, размещенной внутри нижнего переходника с посадочным седлом меньшего диаметра, чем диаметр посадочного седла основной втулки, размещенной между цементировочными отверстиями корпуса и кожуха, частично или полностью перекрывающими друг друга, и технологическими отверстиями корпуса, сообщающими внутритрубное пространство с кольцевой полостью, образованной сопрягаемыми внутренней поверхностью дифференциальной втулки и наружной поверхностью корпуса, при этом дифференциальная втулка верхним торцом связана с упругим элементом, а кольцевая полость герметизирована уплотнительными кольцами от действия наружного давления.

Целесообразно упругий элемент выполнить в виде пружины, связанной другим концом с верхним переходником.

Наличие двух втулок, работающих с цементировочными пробками под давлением, позволяет проводить двухступенчатое цементирование наклонных и горизонтальных скважин.

Образование кольцевой полости сопрягаемыми внутренней поверхностью дифференциальной втулки и наружной поверхностью корпуса позволяет упростить конструкцию устройства, снизить металлоемкость при изготовлении.

Сравнение с прототипом показало наличие новых элементов конструкции и их связей, что свидетельствует о новизне изобретения.

Поиск по отличительным признакам выявил а.с. СССР № 1569401, (МПК 5 Е 21 В 33/14, от 07.06.90) муфту для ступенчатого цементирования обсадных колонн, содержащую корпус с цементировочными отверстиями, внутри которого размещены с возможностью осевого перемещения верхняя, нижняя и посадочная втулки, причем посадочная втулка установлена внутри нижней втулки и также имеет цементировочные отверстия. Назначение перемещаемых втулок известного устройства - открытие и закрытие цементировочных отверстий при взаимодействии их либо с падающей бомбой либо с разделительной пробкой. Причем известное устройство работает (как и прототип) только в вертикальных скважинах.

Втулки - основная и дополнительная - предлагаемого устройства жестко закреплены в корпусе и выполняют иную функцию - создание давления внутри обсадной колонны при взаимодействии с цементировочными пробками, например, для приведения в действие дифференциальной втулки на ее закрытие, что в совокупности с другими признаками изобретения позволяет достигнуть нового технического результата - цементирование наклонных и горизонтальных скважин.

Таким образом можно сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию изобретательский уровень.

На фиг.1 изображено устройство в транспортном положении, общий вид; на фиг.2 - то же, в момент посадки промежуточной цементировочной пробки в дополнительную втулку и начала цементирования скважины; на фиг.3 - то же, в момент окончания цементирования и закрытия цементировочных отверстий, продольный разрез.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1 с концевыми переходниками 2 и 3. Снаружи вдоль корпуса размещен кожух 4, а в полости между корпусом 1 и кожухом 4 установлена дифференциальная втулка 5, подпружиненная пружиной 6 к переходнику 3 и зафиксированная к корпусу срезными штифтами 7. В нижней части корпуса и кожуха в одной плоскости и соостно расположены цементировочные отверстия 8 и 9. В верхней части кожуха выше дифференциальной втулки расположены перепускные технологические отверстия 10, а выше цементировочных отверстий 8 корпуса 1 расположены технологические отверстия привода 11 дифференциальной втулки 5. Между цементировочными отверстиями 8, 9 и технологическими отверстиями 11 привода дифференциальной втулки корпуса расположена основная втулка 12, жестко закрепленная к корпусу, а в нижнем переходнике 2 расположена и жестко закреплена к нему дополнительная втулка 13, имеющая посадочное седло меньшего диаметра, чем посадочное седло основной втулки 12. Устройство снабжено промежуточной цементировочной пробкой 14 и запорной цементировочной пробкой 15.

Устройство работает следующим образом. После спуска обсадной колонны вместе с предлагаемым устройством в скважину производят цементирование первой ступени, т.е. цементный раствор продавливают с помощью цементировочной пробки (на фиг. не показано) в затрубное пространство до верхней части устройства. После посадки цементировочной пробки первой ступени на кольцо стоп внутри обсадной колонны (на фиг. не показано) создают избыточное давление 12,0-13,0 МПа, которое через технологические отверстия 11 привода дифференциальной втулки 5 передается на часть площади сечения дифференциальной втулки 5. Под действием данного усилия срезаются штифты 7 и дифференциальная втулка 5 перемещается вверх, при этом открываются цементировочные отверстия 8 и 9. Производится промывка ствола скважины в течение 1-1,5 цикла. Далее в скважину спускается промежуточная цементировочная пробка 14, которая, дойдя до дополнительной втулки 13, останавливается и фиксируется в ней, перекрывая тем самым внутритрубное пространство под устройством. После некоторого времени ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) производится закачивание и продавливание цементного раствора второй ступени запорной цементировочной пробкой 15. При достижении пробкой 15 основной втулки 12 происходит получение сигнала стоп об окончании процесса цементирования второй ступени, при этом пробка 15 жестко заякоривается во втулке 12. Затем давление внутри колонны сбрасывают. При этом дифференциальная втулка 5 под действием собственного веса, усилия пружины 6 и разности давления в затрубном и трубном пространстве перемещается вниз, перекрывая при этом цементировочные отверстия 8 и 9 корпуса 1 и кожуха 4.

По окончании ОЗЦ цементировочные пробки и втулки 12 и 13 разбуриваются, восстанавливается номинальный диаметр в интервале установки устройства, равный внутреннему диаметру обсадной колонны.

Предлагаемое устройство универсально и успешно применяется как в вертикальных, так и в наклонных и горизонтальных скважинах. Простота конструкции обеспечивает надежность его работы, а также уменьшение металлоемкости при его изготовлении.