Устройство для герметизации затрубного пространства на устье скважины

 

Изобретение относится к горной промышленности . Цель - повышение надежности работы устройства путем обеспечения возможности регулирования степени герметизации затрубного пространства скважины. На верхнем конце обсадной колонны установлена посадочная муфта (ПМ) 1 с конусной внутренней опорной поверхностью Между бурильной колонной и ведущей бурильной трубой размещена несущая труба (НС) 3 На ней коаксиально установлены герметизирующий элемент (ГЭ) 4, упорные верхняя и нижняя 6 втулки. Нижняя втулка 6 размещена на НС 3 с возможностью осевого перемещения и взаимодействия со смежным с ней замковым соединением 8. Верхний конец НС 3 выполнен с резьбовым соединением 7 для связи с ведущей бурильной трубой. После установки на обсадной колонне ПМ 1 в скважину спускают колонну бурильных труб. Ее верхний конец соединяют с НС 3. а последнюю - с ведущей трубой. При опускании НС 3 происходит взаимодействие нижней втулки б с ПМ 1 и сжатие ГЭ А Степень сжатия ГЭ 4 регулируется величиной нагрузки на 1;чутрен-- тою опорную поверхность ПМ 1. 1 ил

ОПИСАНБЕ ИЗОБРЕТ НИЯ

К ПАТЕНТ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 484369@03 (22) 23.04.9) (46) 1510.93 Бюп. Йя 37-38 (71) Пермский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (72) Баянов В.М.; Гребенников В.С„Татауров В.Г„

Амозов АН. (73) Пермский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ 3АТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА НА УСТЬЕ СКВЛЖИНЫ (57) Изобретение относится к горной промышленности. Цель — повышение надежности работы устройства путем обеспечения возможности регулирования степени герметизации затрубного пространства скважины На верхнем конце обсадной ко(is) 3Щ лц 2001243С ((I((3(П((3|93 панны установлена посадочная муфта (ПМ) 1 с конусной внутренней опорной поверхностью Между бурильной колонной и ведущей бурильной трубой размещена несущая труба (НС) 3 На ней коаксиапьно установлены герметизирующий элемент (ГЭ)

4, упорные верхняя и нижняя 6 втулки. Нижняя втулка 6 размещена на НС 3 с возможностью осевого перемещения и взаимодействия со смежным с ней замковым соединением 8. Верхний конец НС 3 выполнен с резьбовым соединением 7 для связи с ведущей бурильной трубок После установки на обсадной колонне ПМ 1 в скважину спускают колонну бурильных труб. Ее верхний конец соединяют с HC 3. а последнюю — с ведущей рубой. При опускании НС 3 происходит взаимодействие нижней втулки 6 с ПМ 1 и сжатие ГЭ 4. С епень сжатия

ГЭ 4 регулируется величиной нагрузки н» с утрен-. нюю опорную поверхность ПМ 1. 1 ..и

2001243

Составитель В. Баянов

Техред M.Mopreéòàë

Корректор Н.Ревскл

Редактор Л. Волкова

Тираж

НПО "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская

Подписное

Заказ 3119 наб„4/5

Произподсн енно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина и 1

За счет обеспечения возможности точного регулирования степени сжатия герметизирующего элемента одновременно при герметизации затрубного пространства скважины устройство будет служить еще и как предохранительный клапан для стравливания могущего возникнуть излишне избыточного давления в затрубнол1 пространстве скважины при нагнетании рабочего агента выше предельно допустимой величины, подключая тем самым вероятность возникновения аварийных ситуаций при проведении изоляционных работ.

Общественно-полезные преимущества изобретения, производимые от техничеФормула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАТРУБНОГО

ПРОСТРАНСТВА НА УСТЬЕ СКВАЖИНЫ, Включающее размещенную внутри обсадной колонны, имеющей посадочную муфту с конусной внутренней посадочной поверхностью, колонну труб, связанных между собой замковыми соединениями, несущую трубу с коаксиально установленными на ней герметиэирующим элементом, упорными нижней и верхней втулками, последняя ских, следующие: за счет повышения эксплуатационной надежности устройства повышвеTcA эффективность изоляционных работ. значительно, не менее чем в 2-5 раэ

5 снижается вероятность повторных ремонтно-изоляционных работ; срок надежной работы устройства не менее че, в 2-3 раза выше, чем у прототипа; за счет исключения повторных изоляционных работ сокращает10 ся расход трудовых и материальных затрат не менее чем на 50 ; в целом время строительства скважин при использовании устройства сокращается на 1-3 . (5á) Авторское свидетельство СССР

15 N. 768937, кл, Е 21 В 33/12, 1978, из которых установлена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и взаимодействия со смежным с ней замковым соединением, отличающееся тем, что посадочная муфта размещена

25 на верхнем конце обсадной колонны, причем верхний конец несущей трубы имеет резьбовое .соединение для связи с ведущей бурильной трубой.

2001243

15

25

35

45

55

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для герметизации затрубного пространства бурящейся скважины, и предназначается для использования при ликвидации поглощений промывочной жидкости, изоляции водопритоков и при подготовке ствола скважины к цементированию, а также может быть использовано при проведении ремонтно-изоляционных работ в скважинах, законченных строительством, при производстве гидрораэрывов пласта и т.п. работах.

Известно устройство для герметизации скважины, содержащее корпус с крышкой, полый <ажимиой поршень внутри корпуса и установленное над ним эластичное уплотнение под трубы, снабженное патрубком и эластичной манжетой, жестко связанными с полым поршнем, при этом верхний конец манжеты связан жестко с корпусом, а нижний — с патрубксм. Устройство устанавливается на устье скважины и фиксируетгя при помощи опор. Через опору подается сжатый воздух. Воздух, поступая под давлением во внутрен>по<о полость устройства. действует на полый нажимной поршен, контактирующий внутренней конической поверхностью с эластичным уплотнением, и перемещает их вверх, сжимая при этом пружину и эластичное уплотнение, Последнее, перемещаясь в радиальном направлении, герметиэирует и удерживает трубопровод в скважине. Так как к полому поршню прикреплен патрубок, к нижнему концу которого при помощи концевой арматуры закреплена эластичная пакерная манжета, то полый поршень, перемещаясь вверх, увлекает за собой патрубок, заставляя эластичную пакерную манжету изгибаться в сторону стенок скважины. Воздух одновременно воздействует на внутреннюю поверхность эластичной пакерной манжеты и прижимает ее к стенкам скважины, Таким образом, скважина полностью герметизируется и в нее можно по трубопроводу производить закачку жидкости или газа.

Однако известное устройство может быть использовано только при низких давлениях нагнетания рабочего агента в с.. важину. При высоких давлениях известное устройство будет перемещаться вверх по стволу скважины под воздействием создаваемого избыточного давления, так как сил трения эластичной манжеты о стенки скважины при известных технических возможностях бурового комп рессора недостаточно для удерживания устройства в одном положении. Это не обеспечивает герметичность скважины и работу по закачке флюидов при высоких избыточных давлениях, возникающих при опрессовке скважины и производстве изоляцион ных работ.

Кроме того, известное устройство используется только в необсаженном сгволе скважины. а в случае использования его в обсадной колонне необходимо производить работы по переоборудованию устья скважины перед каждым применением устройства.

К тому же, известное устройство имеет пневматический привод, что приводит к необходимости иметь еще и компрессор.

Известно также устройство для герметизации затрубного пространства бурящейся скважины, содержащее ведущую трубу с замковым переходником и стакан с пакетом уплотняющих пластин, установленный на основании. Наружная поверхность стакана в месте контакта с основанием выполнена сферической, а внутренняя поверхность основания — конической с углом конусности

1-7, Ведущая труба проходит внутри пакета уплотняющих пластин и соединена с замковым переходником. На ведущей трубе на верхнем уровне стакана выполнено утолщение, диаметр которого больше внутреннего диаметра пакета уплотняющих пластин, В начале бурения ведущая труба со стаканом и пакетом уплотняющих пластин подаются к устью скважины. Сферическая и коническая поверхности стакана и основания взаимодействуют и заклиниваются. Ведущая труба опускается. и ее утолщение проходит через пакет уплотняющих пластин, при этом сила трения в уплотнении возрастает, что увеличивает степень заклинивания стакана в основании и повышает надежность работы известного устройства.

Однако известное устройство обеспечивает непродолжительную в течение эксплуатации устройства герметизацию затрубного пространства бурящейся скважины и только в диапазоне низких давлений нагнетания рабочего агента.

Это происходит из-за того, что при высоких давлениях нагнетания рабочего агента не обеспечивается необходимая герметичность сферической поверхности стакана в конической поверхности основания, так как несмотря на заклинивание стакана в основании во время прохождения через пакет уплотняющих пластин утолщения на ведущей трубе при ее опускании, все остальное время герметичность э ого узла остается в зависимости только <и неменяющегося веса стакана с его пакe<ом уплотняющих пластин, К тому же гермети «<о<:<ь в <есге взаимодействия ко«ичес к ой г«» ° «,«< и осно2001243 вания со сферической поверхностью стакана в условиях ведения работ на скважине как при низких. так и высоких давлениях нагнетания рабочего агента быстро нарушается иэ-за неизбежного попадания в зону взаимодействия этих поверхностей твердых механических примесей, ударов этих поверхностей при наращивании бурильных труб и т,п.

Все это снижает эксплуатационную надежность устройства.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства путем обеспечения герметичности в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента эа сЧет передачи части или полного веса колонны бурильных труб «а опорную поверхность гнезда основания и регулирования тем самым степени сжатия герметизирующего элемента устройства.

Цель достигается тем, что в известном устройстве для герметизации эатрубного пространства бурящейся скважины. включающем основание, выполненное в виде трубы с опорным внутренним гнездом, и соединеннуго с колонной бурильных труб несущую трубу с установленным на ней герметизирующим элементом, по торцам последнего установлены упорные втулки, зафиксированные закрепленными на несущей трубе упорными ограничителями, выполненныл1и, например, в виде замковых соединений, при этом по крайней мере нижняя упорная втулка установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси несущей трубы, причем нижняя не сопряженная с упорным ограничителем часть нижней упорной втулки выполнена с опорной поверхностью, при этом несущая труба и установленный на ней герметизирующий элемент с упорными втулками размещены внутри основания, причем нижняя упорная втулка своей опорной поверхностью установлена в опорном внутреннем гнезде основания.

В настоящее время ни из патентной и ни из научно-технической литературы неизвестны устройства для герметизации затрубного пространства бурящейся скважины с предложенной совокупностью существенных признаков, которые обеспечивали бы герметичность в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента в скважину.

Благодаря тому, что в заявляемом устройстве предложено с обоих торцов герметизирующего элемента установить на несущей трубе подвижные упорные втулки, зафиксированные закрепленными на несущей трубе упорными ni яничителями, в совокупности с тем, что предложено также на нижней части нижней упорной втулки выполнить опорную поверхность для взаимодействия с опорной поверхностью

5 внутреннего гнезда основания, и благодаря тому, что при этом предложено соединенную с колонной бурильных труб несущую трубу и установленный на ней герметизирующий элемент разместить внутри основа10 ния, то в совокупности введенное в колонну бурильных труб предлагаемое устройство при подвеске бурильной колонны на крюке талевой системы буровой установки при опускании в скважину впервые дает воз15 можность с помощью штатных koHTpoëüíoизмерительных приборов буровой установки, например индикатора веса, точно знать величину нагружения герметизирующего элемента и изменять величину такого

20 нагружения от максимума. равного весу всей колонны бурильных труб, до минимума, обеспечивая в этом диапазоне нагружений герметизацию затрубного пространства скважины благодаря продоль25 ному сжатию герметизирующего элемента между верхней упорной втулкой, которая вместе с несущей трубой и соединенной с ней всей колонной бурильных труб при нагружении двигается вниз по стволу скважи30 ны. и между нижней упорной втулкой, которая. своей опорной поверхностью опирается в опорное гнездо основания, а через свое внутреннее отверстие позволяет продольно перемещаться в низ ствола скважи35 ны несущей трубе при нагружении.

При этом благодаря укаэанным выше конструктивным признакам диапазон нагружения герметизирующего элемента в заявляемом устройстве резко, не менее чем на

40 порядок, возрастает по сравнению с прототипом, используя амортизирующие и прочностные пластические воэможности герметизирующего элемента полностью от минимума до возл ожно допустимой сте45 пени нагружения, чем и обеспечивается . надел;ная герметичность затрубного пространства скважины в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента в скважину без подъема такого уст50 ройства на поверхность без замены его или дополнительной регулировки. Указанное и повышает эксплуатационную надежность заявляемого устройства по срав ению с прототипом, 55 На основании вышеизложенного заявляемое устройство отвечает критериям "новизна" и "существенные отличия".

На чертеже изображено заявля«. ое устройство в транспортном положении, продольный разрез.

2001243

Устройство содержит посадочную муфту 1, выполненную в виде трубы с опорным внутренним гнездом 2, и соединенную с колонной бурильных труб (не показаны) несущую трубу 3 с установленным на ней герметизирующим элементом 4. Причем опорное внутреннее гнездо 2 может быть выполнено конусным, криволинейным или .иной формы, По торцам герметизирующего элемента 4 установлены упорные втулки, верхняя 5 и нижняя 6, зафиксированные закрепленными на несущей трубе 3 упорными ограничителями, выfloëíåHными, например, в виде замковых соединений 7 и 8, при этом по крайней мере нижняя упорная втулка 6 установлена с вазможностью перемещения вдоль продольной оси несущей трубы 3, причем нижняя не сопряженная с упорным ограничителем 8 часть нижней упорной втулки 6 выполнена с опорной поверхностью. которая может повторять профиль опорной поверхности внутреннего гнезда 2 муфты 1. Несущая труба 3 и установленный на ней герметиэируюший элемент 4 с упорными втулками 5 и 6 размещены внутри муфты 1, ппичем нижняя упорная втулка 6 своей опорной поверхностью предназначена для установки в опорном внутреннем гнезде 2 муфты 1, Устройство работает следующим образом.

В скважину спускают колонну бурильных труб на требуемую глубину. Далее ее верхний конец соединяют с заявляемым устройством посредством нижнего замкового соединения 8. Сверху устройство соединяют с ведущей бурильной трубой посредством верхнего замкового соединения 7, Вся компоновка, включая колонну бурильных труб, устройство и ведущую бурильную трубу, подвешивается на крюке талевой системы буровой установки. Затем перемещением компоновки вниз опускают устройство в муфту 1 до установки нижней упорной втулки 6 ее опорной поверхностью в опорное внутреннее гнездо 2 муфты 1.

Несущая труба 3 под действием веса колонны бурильных труб перемещается вниз вместе с верхней упорной втулкой 5.

Перемещаясь вниз, упорная втулка 5 производит продольное сжатие герметизирующего элемента 4, который нижним торцом упирается в нижнюю упорную втулку 6. Герметизирующий элемент 4. сжимаясь в осевом направлении и расширяясь в радиальном, перекрывает затрубное пространство бурящейся скважины, прижимаясь наружной поверхностью к внутренней поверхности муфты 1, а внутренней поверхностью к стволу несущей трубы 3, тем самым

50 обеспечивается герметизация 3а рубного пространства бурящейся скважины.

Контролируя с помощью штатных контрольно-измерительных приборов буровой установки, например с помощью индикатора веса, нагрузку на крюке, определяют нагрузку, действующую на опорное внутреннее гнездо муфты 1, т.е. определяют нагрузку, действующую на герметизирующий элемент 4 (степень его сжатия), Степень сжатия герметизирующего элемента 4 производят до величины, гарантирующей надежную герметизацию затрубного пространства скважины в зависимости от величины ожидаемого давления нагнетания рабочего агента в скважину.

После герметизации загрубно, <. пространства скважины с помощью устройства производят нагнетание рабочего агента через несущую трубу 3 и колонну бурильных труб в ствол скважины.

По окончании работы по нагнетанию рабочего агента в скважину устройство приподнимают, размыкая тем самым сопряженные поверхности опорного гнезда 2 и втулки 6. Благодаря упругим свойствам герметизирующий элемент 4 после снятия с него нагрузки принимает первоначальную форму и разгерметизирует тем самым затрубное пространство между несущей трубой 3 и муфтой 1. После этого устройство беспрепятственно извлекается из скважины, По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет получить следующие технические преимущества. Впервые обеспечивается герметичность затрубного пространства скважины в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента без переналадки устройства (от caMbIx низких до самых высоких давлений), в то время как известное устройство по прототипу обеспечивает герметичность затрубного пространства только в заранее заданном интервале низких давлений нагнетания рабочего агента, т.е. диапазон надежной герметизации заявляемым устройством по величине давлений нагнетания рабочего агента в скваж му не менее чем на порядок выше, чем у прототипа, Впервые обеспечивается возможность в зависимости от величины грпбуемого давления нагнетания рабоче о агента точного регулирования степени c: .ÿiич (величины нагружения) герметизируигщ in элемента устройства, В то ВррМ к i v ii! гное по прототипу ус т ройс Г в» е1 » . », ° имеет возможностирегулирпв-: i i .+. иягерметизирующс г» л ° .