Гидромеханический центратор для обсадных колонн нефтегазовых скважин
Полезная модель относится к области добычи жидких и газообразных полезных ископаемых, к средствам центрирования обсадных колонн в пробуренных скважинах. Решаемая задача заключается в повышении надежности срабатывания центрирующих рычагов в скважинах сложного профиля. Поставленная задача достигается тем, что гидромеханический центратор выполнен в виде набора отдельных блоков, установленных на общем трубчатом модуле, имеющего возможность соединения с обсадной колонной в любом количестве и с любой закономерностью, в зависимости от диаметра обсадной колонны и зенитного угла траектории ствола скважины. Каждый из блоков содержит центрирующй рычаг, снабженный индивидуальным гидравлическим механизмом выдвижения, который представляет собой жестко связанный с общим трубчатым модулем цилиндр, в полости которого установлен рабочий поршень (плунжер) плоской формы и срабатывающий от действия перепада давления, создаваемого в обсадной колонне при ее цементировании, при этом отверстие, соединяющее полость цилиндра с внутренней полостью обсадной колонны, снабжено заглушкой, срезаемой цементировочной пробкой, движущейся под действием перепада давления, создаваемого в обсадной колонне. Кроме того, каждый центрирующий рычаг индивидуального блока одним концом шарнирно соединен с рабочим плунжером посредством тяги, и этим же концом шарнирно прикреплен к корпусу цилиндра, выполненного плоской формы, соответствующей форме рабочего плунжера.
Полезная модель относится к области добычи жидких и газообразных полезных ископаемых, к средствам центрирования обсадных колонн в пробуренных скважинах.
Качественное центрирование обсадных колонн в пробуренных скважинах играет определяющую роль в деле обеспечения высокой эффективности технологического процесса, так как способствует изоляции продуктивного объекта от соседних горизонтов, слагающих геологический разрез вскрытой скважиной.
Если центровка колонны не будет обеспечена, то достигнуть формирования прочного и симметричного цементного кольца вокруг внешней стенки обсадной колонны, в зазоре между нею и горной породой, практически не удастся, так как при большом эксцентриситете колонны она соприкасается со стенкой скважины, что с одной стороны затрудняет формирование равномерного по толщине цементного кольца, а с другой - ухудшает процесс вытеснения из образовавшегося сужения бурового раствора, в результате чего в зоне его защемления образуется флюидопроводящий канал, резко снижающий изоляционные свойства цементного кольца (П.А. Ларин, Ю.А. Гуторов, С.Н. Якунина «Проблемы качественного крепления нефтегазовых скважин сложного профиля» // Октябрьский, УГНТУ, 2013, 200 с).
Особенно проблематичной является центровка обсадных колонн и хвостовиков в сильно наклонных и горизонтальных скважинах, когда из-за значительного веса колонны трудно обеспечить ее необходимую центровку.
Для целей центрирования обсадных колонн в основном применяются жесткие или пружинящие центраторы. Однако из-за невозможностей управлять силой прижима отдельного центратора приходится устанавливать их значительное количество на тело обсадной трубы. Причем чем больше зенитный угол скважины, тем больше вертикальная результирующая ее веса и, соответственно, требуется большее количество пружинных центраторов. Неизбежное увеличение количества центраторов значительно затрудняет спуск обсадной колонны, особенно в ствол скважины сложного профиля, а также ухудшает процесс замещения бурового раствора тампонажным, что неизбежно влечет за собой снижение прочностных и изоляционных свойств цементного кольца (Ю.А. Гуторов «Геофизическое информационное обеспечение технологии цементирования обсаженных скважин на основе передового зарубежного опыта», Октябрьский, УГНТУ, 2007, 134 с).
Известен центратор обсадной колонны гидромеханического типа (Патент РФ 
2191881, заявл. 19.05.2000, опубл. от 19.05.2000, E21B 17/10).
Известный центратор содержит связанный с обсадной колонной цилиндр, в полости которого установлены рабочий и замковый поршни, центрирующие элементы, выполненные в виде рычагов, при этом он имеет цилиндрический корпус с навинченной на него муфтой обсадной колонны, с которой жестко связан цилиндр, в полости которого установлены втулки с возможностью взаимодействия между собой клиновидными поверхностями, зафиксированными между собой штифтами, при этом в полости муфты обсадной колонны установлено золотниковое устройство, выполненное в виде втулки для перекрытия отверстия, соединяющего полость цилиндра с внутренней полостью обсадной колонны, а рабочий и замковый поршни установлены с возможностью перемещения в одном направлении и зафиксированы относительно цилиндра срезающимся штифтом, причем рабочий поршень имеет с наружной стороны по образующей пазы, а замковый поршень, длина которого превышает длину рабочего, связан с рычагами при помощи замковых устройств и имеет клиновидную поверхность для взаимодействия с одним из концов рычагов, другие концы которых шарнирно связаны при помощи пальцев с фиксирующей гайкой, жестко скрепленной через переводник со стволом.
Данные центраторы имеют хорошую проходимость при спуске обсадной колонны, не вызывают затруднения при вытеснении бурового раствора тампонажным, а также развивают достаточно большие усилия с помощью выдвижных рычагов, что обеспечивает надежную центровку обсадных колонн с любым зенитным углом вплоть до 90°, в том числе, в скважинах сложного профиля.
Существенным их недостатком является низкая надежность, обусловленная достаточно сложной конструкцией, основными элементами которой являются рабочий и замковые поршни цилиндрической формы, которые под действием перепада давления между внутренней полостью обсадной колонны и внутренней полостью рабочего цилиндра центратора, перемещаются в рабочее положение и обеспечивают раскрытие центрирующих рычагов. Из-за незначительной величины поперечного размера полости цилиндра, где перемещаются рабочий и замковый поршни, довольно часто происходит их заклинивание, что приводит к неполному раскрытию.
Задачей заявляемого изобретения является повышение надежности срабатывания центрирующих рычагов в скважинах сложного профиля.
Указанная задача решается тем, что гидромеханический центратор для обсадных колонн нефтегазовых скважин, выполнен в виде набора отдельных блоков, установленных на общем трубчатом модуле, имеющего возможность соединения с обсадной колонной в любом количестве и с любой закономерностью, в зависимости от диаметра обсадной колонны и зенитного угла траектории ствола скважины. Каждый из блоков содержит центрирующй рычаг, снабженный индивидуальным гидравлическим механизмом выдвижения, который представляет собой жестко связанный с общим трубчатым модулем цилиндр, в полости которого установлен рабочий поршень (плунжер) плоской формы и срабатывающий от действия перепада давления, создаваемого в обсадной колонне при ее цементировании, при этом отверстие, соединяющее полость цилиндра с внутренней полостью обсадной колонны, снабжено заглушкой, срезаемой цементировочной пробкой, движущейся под действием перепада давления, создаваемого в обсадной колонне, кроме того, каждый центрирующий рычаг индивидуального блока одним концом шарнирно соединен с рабочим плунжером посредством тяги, и этим же концом шарнирно прикреплен к корпусу цилиндра, выполненного плоской формы, соответствующей форме рабочего плунжера.
На Фиг. 1 показан общий вид расположения модуля на обсадной колонне с раскрытыми центрирующими рычагами.
На фиг. 2 показана конструкция блока индивидуального гидравлического механизма выдвижения каждого из центрирующих рычагов в сложенном состоянии.
На Фиг. 3 показана конструкция блока индивидуального гидравлического механизма выдвижения каждого из центрирующих рычагов в раскрытом состоянии.
Общими конструктивными признаками с известным устройством по патенту 2191881 (прототип) являются: центрирующие рычаги с гидравлическим механизмом выдвижения, который представляет собой гидравлически связанный с обсадной колонной цилиндр, в полости которого установлен рабочий поршень (плунжер), срабатывающий от действия перепада давления, создаваемого в обсадной колонне при ее цементировании, отверстие, соединяющее полость цилиндра с внутренней полостью обсадной колонны, снабженнное устройством перекрытия.
Отличительными признаками являются: гидромеханический центратор выполнен в виде набора отдельных блоков, жестко установленных на общем трубчатом модуле, имеющего возможность соединения с обсадной колонной, каждый из блоков содержит центрирующй рычаг, снабженный индивидуальным (указанным выше) гидравлическим механизмом выдвижения, при этом каждый центрирующий рычаг индивидуального блока одним концом шарнирно соединен с рабочим плунжером посредством тяги, и этим же концом шарнирно прикреплен к корпусу цилиндра, выполненного плоской формы, соответствующей форме рабочего плунжера, а отверстие, соединяющее полость цилиндра с внутренней полостью трубчатого модуля (обсадной колонны) снабжено заглушкой, срезаемой цементировочной пробкой, движущейся под действием перепада давления, создаваемого в обсадной колонне.
Заявляемый гидромеханический центратор представляет собой набор одинакового выполненных отдельных блоков 1, жестко установленных на общем модуле 2 трубчатой формы, в любом количестве и с любой закономерностью в зависимости от диаметра обсадной колонны и зенитного угла траектории ствола скважины, имеющего с обеих концов резьбовые соединения 3 и 4 для соединения с концами обсадной колонны 5. Каждый из блоков содержит центрирующй рычаг 6, снабженный индивидуальным гидравлическим механизмом выдвижения, который представляет собой гидравлически связанный с модулем 2 цилиндр 7, в полости которого установлен плоской формы рабочий поршень (плунжер) 8, срабатывающий от действия перепада давления, создаваемого в модуле 2 (обсадной колонне 5) при ее цементировании, при этом отверстие 9, соединяющее полость цилиндра 6 с внутренней полостью модуля 2 (обсадной колонной 5), снабжено заглушкой 10, срезаемой цементировочной пробкой, движущейся под действием перепада давления, создаваемого в обсадной колонне. Кроме того, каждый центрирующий рычаг 6 индивидуального блока одним концом 11 соединен с рабочим плунжером 8 посредством тяги 12 с шарниром 13, и этим же концом 11 через шарнир 14 прикреплен к корпусу цилиндра 7, выполненного плоской формы, соответствующей форме рабочего плунжера 8.
Гидромеханический центратор работает следующим образом.
На отдельных модулях 2 устанавливают блоки 1 с центрирующим рычаном и индивидуальным гидравлическим механизмом его выдвижения по периметру колонны, или вокруг колонны со смещением, или несколько рядов вокруг обсадной колонны, в зависимости от сложности профиля скважины, таким образом, чтобы обеспечить центрирование обсадной колонны 5 в скважине. При этом индивидуальный гидравлический механизмом выдвижения центрирующего рычага 6 гидравлически связывают с модулем 2 (обсадной колонной 5) посредством отверстия 9, закрытого в начальном состоянии заглушкой 10. Корпус цилиндра 7 индивидуального гидравлического механизма выдвижения имеет плоскую форму и может жестко закрепляться на поверхности отдельного модуля, занимая небольшой размер по диаметру.
Обсадную колонну 5 с одним или несколькими модулями 2 спускают в скважину и действием продавочной жидкости перемещают цементировочную пробку вдоль внутренней стенки обсадной колонны. Цементировочная пробка, двигаясь вдоль колонны 5, срезает заглушку 10, продавочная жидкость, проникая через отверстие 9 и действуя на плунжер 8, сдвигает его, приводя в движенеи тягу 12, к концу которой прикреплен центрирующий рычаг 6. Рычаг 6, через шарнир 13, укрепленный на корпусе гидроцилиндра 7 каждого блока 1, поворачивается вокруг оси шарнира 14 и выдвигается наружу, следуя за движением тяги 12.
Преимуществом предлагаемой модульной конструкции центратора является возможность установки на колонне любого необходимого количества блоков гидроцентратора, а также независимость работы каждого от результатов срабатывания остальных.
Причем, поскольку случаи заклинивания Перемещения цилиндрических по форме рабочего и замкового поршней чаще всего происходили на участках ствола скважины с набором кривизны, что приводило к изгибающей деформации корпуса цилиндра центратора и соответственно, к сужению проходного сечения в цилиндре центратора, и как следствие - к заклиниванию перемещения рабочего и замкового поршней, то чтобы устранить указанный недостаток и повысить надежность работы гидромеханического центратора предлагается обеспечить его конструктивное выполнение в виде блочно-модульного устройства (см. рис. 1). Модулем является отрезок обсадной трубы, имеющий на торцах соответствующие резьбовые соединения с обсадными трубами (колоннами), а на модуле по периметру располагаются отдельные блоки гидромеханических центраторов, количество которых определяется диаметром обсадной трубы (колонны) и величиной необходимого поперечного усилия, который должен развивать рабочий элемент (рычаг) центратора в зависимости от зенитного угла ствола скважины, кривизны его траектории и, соответственно, от вызванной им поперечной (изгибающей) деформации.
Гидромеханический центратор для обсадных колонн нефтегазовых скважин выполнен в виде набора отдельных блоков, жестко установленных на общем трубчатом модуле, имеющего возможность соединения с концами обсадной колонны, при этом каждый из блоков содержит выдвижной центрирующий рычаг, снабженный индивидуальным гидравлическим механизмом, который представляет собой жестко связанный с общим трубчатым модулем цилиндр, в полости которого установлен рабочий плунжер плоской формы, срабатывающий от действия перепада давления, создаваемого в обсадной колонне при ее цементировании, а отверстие, соединяющее полость цилиндра с внутренней полостью обсадной колонны, снабжено заглушкой, срезаемой цементировочной пробкой, движущейся под действием перепада давления, создаваемого в обсадной колонне, кроме того, каждый центрирующий рычаг индивидуального блока одним концом шарнирно соединен с рабочим плунжером посредством тяги и этим же концом шарнирно прикреплен к корпусу цилиндра, выполненного плоской формы, соответствующей форме рабочего плунжера.
