центратор для обсадной колонны скважины, пробуренной трехшарошечным долотом

Формула изобретения

1. Центратор для обсадной колонны скважины, пробуренной трехшарошечным долотом, включающий полый корпус, выполненный в виде двух колец, соединенных между собой центрирующими ребрами выпуклой формы, отличающийся тем, что его центрирующие ребра выполнены наклонно к образующей наружной поверхности корпуса, а их рабочая поверхность выполнена в виде части выпуклой поверхности торов, образованных вращением кругов радиусом, равным r_Ш cos вокруг прямых, пересекающихся с осью скважины под углом 90°- , при этом расстояние L от центра кругов до осей их вращения выбрано из следующего соотношения:

L=0,95÷0,99 R _Д-r_Ш;

где L - расстояние от центров вращения кругов радиусом, равным r_Ш cos , до осей их вращения, мм;

R_Д - радиус долота, мм;

r_Ш - радиус шарошки трехшарошечного долота, мм;

- угол наклона центрирующего ребра к образующей наружной поверхности корпуса центратора в градусах;

2. Центратор по п.1, отличающийся тем, что к боковым граням центрирующих ребер вдоль образующих закреплены упругодеформируемые крылья из резины или резинотканевого материала для усиления эффекта турбулизации восходящего потока цементного раствора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и найдет применение при креплении скважин с осложненными участками.

Известен центратор для обсадной колонны [1], включающий полый цилиндрический корпус с центрирующими ребрами и крепежные элементы для закрепления его к трубе обсадной колонны.

Недостатком его является нетехнологичность и, следовательно, трудоемкость его изготовления, металлоемкость, обладает низкой проходимостью в скважине, особенно в интервале высокопроницаемых пластов, где на стенках скважины сформирована глинистая корка.

Перечисленные недостатки устранены в центраторе для скважины, пробуренной трехшарошечным долотом [2], содержащим полый корпус в виде двух колец, соединенных между собой центрирующими ребрами выпуклой формы.

Упомянутый центратор по технической сущности более близок к предлагаемому и может служить в качестве прототипа.

Однако он также не лишен недостатков, например, он не обеспечивает турбулизацию восходящего потока цементного раствора, в результате чего не достигается полнота замещения глинистого раствора цементным при креплении скважины, следовательно, не обеспечивает необходимое качество цементирования скважины. Кроме того, точечное касание центрирующих ребер по образующей ствола скважины может вызвать определенные трудности в части проходимости обсадной колонны из-за утапливания центрирующих ребер в стенку скважины в интервале с неустойчивыми, склонными к обвалообразованию и низкими по твердости породами. Поэтому он в результате находит ограниченное применение.

Задачей настоящего изобретения является устранение вышеотмеченного недостатка прототипа.

Поставленная задача решается описываемым центратором для обсадной колонны скважины, пробуренной трехшарошечным долотом, включающим полый корпус в виде двух колец, соединенных между собой центрирующими ребрами выпуклой формы во фронтальной проекции.

Новым является то, что его центрирующие ребра выполнены наклонно к образующей наружной поверхности корпуса, а их рабочая поверхность выполнена в виде части выпуклой поверхности торов, образованных вращением кругов радиусом, равным r_ш cos , вокруг прямых, пересекающихся с осью скважины под углом 90°- , при этом расстояние L от центра кругов до осей их вращения выбрано из следующего соотношения:

L=0,95÷0,99 R _Д-r_Ш;

где L - расстояние от центров вращения кругов радиусом, равным r_Ш cos , до осей их вращения, мм;

R_Д - радиус долота, мм;

r_Ш - радиус шарошки трехшарошечного долота, мм;

- угол наклона центрирующего ребра к образующей наружной поверхности корпуса центратора, в градусах, =25÷45.

Новым является также и то, что к боковым граням центрирующих ребер вдоль образующих закреплены упругодеформируемые крылья из резины или резинотканевого материала для усиления эффекта турбулизации восходящего потока цементного раствора.

Конструкция предлагаемого центратора, сохраняя достигнутую прототипом ширину и радиус кривизны центрирующих ребер в поперечном сечении, позволяет увеличить ширину промывочных окон на величину B×(1-cos ) (где B - ширина центрирующего ребра прототипа), а значит, снизить гидравлические потери при промывке скважины и подъеме цементного раствора, снижая фильтрацию его в проницаемые пласты, тем самым улучшая условия подъема его до проектной высоты.

По мнению авторов, приведенная совокупность существенных отличительных признаков предложения является новой, поскольку в результате проведения патентных исследований на глубину 20 лет по патентному фонду института "ТатНИПИнефть" аналогичных технических решений с получением такого положительного эффекта не обнаружено и на практике не применялось, что позволяет сделать заключение также о соответствии заявляемого объекта критерию "изобретательский уровень".

Прилагаемые чертежи поясняют суть изобретения, где на фиг.1 изображен центратор предлагаемой конструкции, где видны центрирующие ребра, расположенные наклонно относительно образующих наружной поверхности корпуса, общий вид в частичном разрезе.

На фиг.2 - сечение по А-А фиг.1, где видны сечения центрирующих ребер, разделенные между собой окнами, используемыми для прохождения и турбулизации восходящего цементного раствора при креплении скважины.

Центратор для обсадной колонны содержит корпус в виде двух колец 1 и 2 (см. фиг.1), соединенных между собой центрирующими ребрами 3, 4 и 5, расположенными наклонно относительно образующих наружной поверхности корпуса центратора под углом , составляющим 25-45°, и в фронтальной проекции имеет бочкообразную форму. Рабочие поверхности центрирующих ребер выполнены в виде части выпуклой поверхности торов, разделенных окнами 6, 7 и 8 (см. фиг.2), образованных вращением кругов радиусом, равным r_ш×cos , вокруг прямых, пересекающихся с осью скважины под углом 90°- . Таким образом каждое центрирующее ребро является частью своего тора и, следовательно, каждый круг имеет свою прямую, вокруг которой они вращаются. При этом расстояние L от центра вращаемого круга до оси его вращения выбрана из следующего соотношения:

L=0,95÷0,99 R_Д-r_Ш;

где L - расстояние от центра вращения круга радиусом, равным радиусу шарошки долота, до оси его вращения, мм;

R_Д - радиус долота, мм;

r_Ш - радиус шарошки трехшарошечного долота, мм;

- угол наклона центрирующего ребра к образующей наружной поверхности корпуса центратора, в градусах; =25÷45.

Из вышеизложенного следует, что при выполнении конструкции центратора учтены геометрические формы (параметры) трехшарошечного долота.

Окна 6, 7 и 8 выполнены в направлениях, наклонных к оси центратора под углом , на равных расстояниях друг от друга и одинакового размера. Части тора, заключенные между окнами, представляющие в сечении сегменты (см. фиг.2), образуют центрирующие ребра 3, 4 и 5. Такое выполнение конструкции центратора обеспечивает беспрепятственный проход его через осложненные участки скважины, поскольку при этом центратор при спуске перемещается по следу движения долота в скважине.

Стендовые испытания центратора-отклонителя показали, что угол наклона окон 6, 7, 8 и центрирующих элементов 3, 4, 5, выполненных под одним и тем же углом =25÷45, являются оптимальными. Так, при угле меньше 25° отклоняющий эффект центрирующих элементов снижается и не обеспечивает потоку цементного раствора необходимую степень его турбулизации, а при угле больше 45° возникает препятствие прохождению потока цементного раствора по заколонному пространству, что приводит к увеличению давления цементирования скважины.

С целью снижения металлоемкости и улучшения условий промывки скважины с внутренней стороны ребер выполняют выборку на токарном станке или при отливке изделия.

Изготавливают центратор путем литья или сварки, приваривая центрирующие ребра 3, 4 и 5 к кольцам 1 и 2. Его спускают в интервал скважины, где необходимо обеспечить высокое качество цементирования, надевая на трубы обсадной колонны и разместив его с возможностью перемещения вдоль трубы в пределах 50-60 см между стопорными муфтами, как это предусмотрено в техническом решении, принятом в качестве прототипа.

Для усиления эффекта турбулизации к боковым граням центрирующих ребер вдоль его образующих закрепляют упругодеформируемые крылья из резины или резинотканевого материала, превышающие на 2-3% по внешнему контуру диаметр долота (из-за простоты упругодеформируемые крылья на фиг.не изображены).

В процессе цементирования восходящий поток цементного раствора, проходящий между наклонно расположенными центрирующими ребрами, получает турбулентное движение, усиливающееся за счет его упругодеформируюшихся крыльев, в результате чего достигается эффект вытеснения из скважины и от ее стенок глинистого бурового раствора цементным, а это способствует образованию цементного камня вокруг колонны равномерной толщины, образующей плотный контакт со стенкой скважины, тем самым повышая качество крепления.

Технико-экономическое преимущество предложения заключается в следующем.

Использование центратора предлагаемой конструкции позволит повысить качество крепления скважин, следовательно, и разобщение пластов, улучшить проходимость колонны обсадных труб и спускаемого с ней скважинного оборудования через осложненные интервалы скважины, благодаря учету в конструкции центратора геометрических форм трехшарошечного долота. Сохраняя повышенную проходимость колонны обсадных труб в стволе скважины, центратор позволяет улучшить условия промывки и цементирования скважины. На дату подачи заявки центратор испытан в промысловых условиях, результаты положительные.

Источники информации

Патент Великобритании №2 285649, кл. Е 21 В 17/10, 1985 г.

Патент РФ №2176718, кл. 7 Е 21 В 17/10, Б. И. №34, 2001 г. (прототип).