устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны

Формула изобретения

1. Устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны, включающее полый корпус с промывочными и цементировочными отверстиями, верхними и нижними кольцевыми проточками с внутренней стороны корпуса, дифференциальную втулку с узлом ее осевого перемещения, зафиксированную внутри корпуса, образующую с ним рабочую полость и перекрывающую его промывочные отверстия, рабочую втулку с цементировочными отверстиями, зафиксированную внутри корпуса срезными элементами, перекрывающую цементировочные отверстия корпуса, имеющую ограничитель ее осевого перемещения в промежуточном положении и радиальные отверстия с размещенными в них упорами для промежуточной и верхней цементировочных пробок, при этом упоры для промежуточной цементировочной пробки выполнены с возможностью их "утапливания" в нижней кольцевой проточке корпуса при промежуточном положении рабочей втулки, когда ее цементировочные отверстия совмещены с цементировочными отверстиями корпуса, а упоры для верхней цементировочной пробки выполнены с возможностью их "утапливания" в верхней кольцевой проточке корпуса при крайнем нижнем положении рабочей втулки, когда она перекрывает цементировочные отверстия корпуса.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что узел осевого перемещения дифференциальной втулки выполнен в виде полого срезного штифта, по меньшей мере одного, для гидравлического сообщения полости корпуса с рабочей полостью.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ограничитель осевого перемещения рабочей втулки в ее промежуточном положении выполнен в виде продольного паза на внешней поверхности рабочей втулки, имеющего длину, равную длине хода рабочей втулки до ее промежуточного положения, и срезного элемента, жестко связанного с корпусом и взаимодействующего с верхней кромкой продольного паза.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус над верхней внутренней кольцевой проточкой выполнен с дополнительной внутренней кольцевой проточкой под упоры для верхней цементировочной пробки, которые имеют возможность выдвижения вовнутрь устройства при промежуточном положении рабочей втулки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упоры имеют возможность их фиксации в "утопленном" положении с обеспечением равнопроходного сечения по всей длине устройства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области крепления нефтяных и газовых скважин и, в частности, к устройствам для их ступенчатого цементирования.

Известно устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны, включающее двухстенный полый корпус с кольцевой полостью между внешней и внутренней стенками с промывочными и цементировочными отверстиями, выдвижные упоры и верхнюю и нижнюю втулки с радиальными отверстиями, которые помещены в кольцевой полости с возможностью последовательного перемещения и тем самым открытия-перекрытия промывочных и цементировочных отверстий (см., например, пат. РФ №2171361, кл. Е 21 В 33/14, 27.07.2001).

Недостатками известного устройства являются:

- необходимость трех последовательных перемещений верхней и нижней втулок, размещенных в кольцевой полости двухстенного корпуса;

- существенное уменьшение проходного канала устройства из-за наличия внешней и внутренней стенок корпуса и кольцевой втулки в кольцевой полости, что ограничивает область применения устройства;

- возможность ненамеренного среза штифта, удерживающего втулку в среднем положении, ее перемещение и преждевременное закрытие цементировочных отверстий из-за непредвиденного повышения давления в процессе цементирования (особенно при манжетном цементировании), что ведет к возникновению аварийной ситуации, связанной с оставлением в колонне тампонажного раствора.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства и расширение области его применения.

Необходимый технический результат достигается тем, что устройство для ступенчатого цементирования обсадной колонны включает полый корпус с промывочными и цементировочными отверстиями, верхними и нижними кольцевыми проточками с внутренней стороны корпуса, дифференциальную втулку с узлом ее осевого перемещения, зафиксированную внутри корпуса, образующую с ним рабочую полость и перекрывающую его промывочные отверстия, рабочую втулку с цементировочными отверстиями, зафиксированную внутри корпуса срезными элементами, перекрывающую цементировочные отверстия корпуса, имеющую ограничитель ее осевого перемещения в промежуточном положении и радиальные отверстия с размещенными в них упорами для промежуточной и верхней цементировочных пробок, при этом упоры для промежуточной цементировочной пробки выполнены с возможностью их "утапливания" в нижней кольцевой проточке корпуса при промежуточном положении рабочей втулки, когда ее цементировочные отверстия совмещены с цементировочными отверстиями корпуса, а упоры для верхней цементировочной пробки выполнены с возможностью их "утапливания" в верхней кольцевой проточке корпуса при крайнем нижнем положении рабочей втулки, когда она перекрывает цементировочные отверстия корпуса.

Кроме того:

узел осевого перемещения дифференциальной втулки выполнен в виде полого срезного штифта, по меньшей мере одного, для гидравлического сообщения полости корпуса с рабочей полостью;

ограничитель осевого перемещения рабочей втулки в ее промежуточном положении выполнен в виде продольного паза на внешней поверхности рабочей втулки, имеющего длину, равную длине хода рабочей втулки до ее промежуточного положения, и срезного элемента, жестко связанного с корпусом и взаимодействующего с верхней кромкой продольного паза;

корпус над верхней внутренней кольцевой проточкой выполнен с дополнительной внутренней кольцевой проточкой под упоры для верхней цементировочной пробки, которые имеют возможность выдвижения вовнутрь устройства при промежуточном положении рабочей втулки;

упоры имеют возможность их фиксации в "утопленном" положении с обеспечением равнопроходного сечения по всей длине устройства.

Изобретение поясняется графическими изображениями.

На фиг.1 изображен общий вид устройства в транспортном положении;

на фиг.2 - устройство в момент открытия промывочных отверстий корпуса;

на фиг.3 - устройство в момент посадки промежуточной цементировочной пробки на упоры и открытия цементировочных отверстий корпуса;

на фиг.4 - устройство после перекрытия цементировочных отверстий корпуса.

Устройство включает (фиг.1) полый корпус 1 с промывочными 2 и цементировочными 3 отверстиями, верхними 4 и нижними 5 кольцевыми проточками с внутренней стороны корпуса 1. Имеется дифференциальная втулка 6. Она помещена в нижней части устройства и имеет узел ее осевого перемещения, который может быть выполнен, например, в виде полого срезного штифта 7, по меньшей мере одного, для гидравлического сообщения полости корпуса 1 с рабочей полостью, которая образована между дифференциальной втулкой 6 и корпусом 1 (условно не показана). Кроме того, полый срезной штифт 7 защищает дифференциальную втулку 6 от ее преждевременного срабатывания. Дифференциальная втулка 6 зафиксирована внутри корпуса 1 с помощью срезного элемента 8, по меньше мере одного, и перекрывает промывочные отверстия 2. Над дифференциальной втулкой 6 в корпусе 1 размещена рабочая втулка 9 с ее цементировочными отверстиями 10. Рабочая втулка 9 зафиксирована внутри корпуса 1 срезным элементом 11, по меньшей мере одним, и перекрывает цементировочные отверстия 3 корпуса 1. Рабочая втулка имеет ограничитель ее осевого перемещения. Он может быть выполнен, например, в виде продольного паза 12, по меньшей мере одного, на внешней поверхности рабочей втулки 9, имеющего длину, равную длине хода рабочей втулки до ее промежуточного положения, и срезного элемента 13, по меньше мере одного, жестко связанного с корпусом 1. Срезной элемент 13 взаимодействует с нижней кромкой продольного паза в транспортном положении устройства и с верхней кромкой продольного паза 12 в промежуточном положении рабочей втулки.

Рабочая втулка имеет радиальные отверстия с размещенными в них нижними 14 и верхними 15 упорами соответственно для промежуточной 16 и верхней 17 цементировочных пробок. Нижние упоры 14 для промежуточной цементировочной пробки 16 выполнены с возможностью их "утапливания" в нижней кольцевой проточке 5 корпуса 1 при промежуточном положении рабочей втулки 9. При этом положении рабочей втулки 9 ее цементировочные отверстия 10 совмещены с цементировочными отверстиями 3 корпуса 1. Верхние упоры 15 для верхней цементировочной пробки 17 выполнены с возможностью их "утапливания" в верхней кольцевой проточке 4 корпуса 1 при крайнем нижнем положении рабочей втулки 9. В этом положении рабочая втулка, после ее осевого смещения, перекрывает цементировочные отверстия 3 корпуса 1. Корпус 1 над верхней внутренней кольцевой проточкой 4 может быть выполнен для транспортного положения устройства с дополнительной внутренней кольцевой проточкой 18 под верхние упоры 15 для верхней цементировочной пробки 17. В другом случае верхние упоры 15 и промежуточная цементировочная пробка 16 могут быть выполнены с возможностью прохождения упомянутой пробки 16 через верхние упоры 15.

Упоры 14, 15 имеют возможность их фиксации в "утопленном" положении с освобождением внутреннего проходного сечения устройства, т.е. обеспечением равного прохода по всей длине устройства. Для этого они могут быть выполнены, например, с фиксаторами 19. Необходимую герметичность устройства обеспечивают с помощью уплотнительных элементов 20. Для обеспечения перемещения дифференциальной втулки 6 служат разгрузочные отверстия 21.

Устройство работает следующим образом.

После закачки в обсадную колонну расчетного объема тампонажного раствора первой ступени пускают первую цельнорезиновую цементировочную пробку, которая, проходя через нижние упоры 14, срезая полый штифт 7, садится на "стоп"-кольцо (первая цельнорезиновая цементировочная пробка и "стоп"-кольцо на фиг.1-4 условно не показаны). После посадки первой цементировочной пробки на "стоп"-кольцо давление в проходном канале обсадной колонны повышают до расчетного и жидкость из обсадной колонны через срезанный полый штифт 7 под действием избыточного давления перемещает дифференциальную втулку 6, разрушая при этом срезной элемент 8, и открывает промывочные отверстия 2 корпуса 1.

При открытии промывочных отверстий 2 и возникновении циркуляции осуществляют "срез" (вымыв) верхней пачки тампонажного раствора первой ступени цементирования, промывку скважины, пуск промежуточной цементировочной пробки 16 (фиг.З) и закачку в обсадную колонну расчетного объема тампонажного раствора второй ступени цементирования и пуск верхней цементировочной пробки 17 (на фиг.З не показана). При посадке промежуточной цементировочной пробки 16 на нижние упоры 14 происходит срез элемента 11, перемещение рабочей втулки 9 вниз, которое ограничено срезным элементом 13, взаимодействующим с верхней кромкой продольного паза 12. При этом происходит герметичное перекрытие промывочных отверстий 2 корпуса 1, совмещение цементировочных отверстий 3 корпуса 1 с одноименными отверстиями 10 рабочей втулки 9, перемещение верхних упоров 15 в проходной канал устройства и "утапливание" нижних упоров 14 в нижнюю кольцевую проточку 5, т.е. освобождение от взаимодействия упоров с промежуточной пробкой 16.

После вытеснения через цементировочные отверстия 10 и 3 соответственно рабочей втулки 9 и корпуса 1 расчетного объема тампонажного раствора второй ступени цементирования верхняя цементировочная пробка 17 (фиг.4), взаимодействуя с верхними упорами 15, срезая элемент 13, перемещает рабочую втулку 9 вниз. При этом происходит герметичное перекрытие цементировочных отверстий 3, "утапливание" верхних упоров 15 в верхней кольцевой проточке 4 и т.о. фиксация от перемещения рабочей втулки 9 и дифференциальной втулки 6 и освобождение от взаимодействия упоров с верхней цементировочной пробкой 17. Упоры 14 и 15 удерживаются в конечном положении фиксаторами 19, что обеспечивает возможность проталкивания промежуточной и верхней цементировочных пробок на забой скважины без оставления перемычки из тампонажного материала между ступенями цементирования.

Компактность устройства по диаметру позволяет его применять в скважинах практически любого диаметра.