Неразбуриваемая муфта для ступенчатого цементирования обсадной колонны

 

Использование: при бурении скважин в качестве устройства для их цементирования. Обеспечивает повышение качества цементирования нижней ступени цементирования. Сущность изобретения: муфта содержит полый цилиндрический корпус, несущий узел с промывочным узлом, управляющий узел с нижним посадочным седлом и уплотнительные элементы. Полый цилиндрический корпус содержит промывочные отверстия, кольцевую проточку на наружной поверхности, осевые пазы в нижней части внутренней поверхности и перепускные отверстия. Несущий узел содержит ствол, скрепленный муфтой с обсадной трубой верхней ступени, промывочные отверстия. Эти отверстия расположены коаксиально относительно промывочных отверстий корпуса. Узел имеет также коническую проточку для посадки разрезного стопорного кольца. Промывочный узел содержит втулку, скрепленную срезными винтами с корпусом, выполненную в нижней части по торцевой поверхности с продольными выступами, входящими в ответные пазы корпуса, с промывочными отверстиями, расположенными коаксиально относительно промывочных отверстий корпуса. Управляющий узел содержит пробку с армированным металлическим основанием, перекрывающую промывочные отверстия корпуса, и проволочную навивку, расположенную в кольцевой проточке корпуса. Нижнее посадочное седло управляющего узла перекрывает промывочные отверстия ствола и имеет на внутренней поверхности конические выступы, соответствующие углу наклона пластичных элементов пробки для цементирования нижней ступени. Верхнее посадочное седло скреплено со стволом с возможностью перемещения и открытия отверстий ствола и передачи давления через эти отверстия в кольцевую полость. Кольцевая полость образована втулкой, корпусом, стволом и фиксатором корпуса со стволом. Корпус с втулкой и втулку со стволом герметизирует ряд уплотнительных элементов. 5 ил.

Изобретение относится к области бурения скважин, в частности к устройствам для их цементирования.

Анализ существующего уровня показал следующее: - первый этап разработки технологии цементирования обсадных колонн связан с использованием разбуриваемых муфт ступенчатого цементирования. В частности, в качестве аналога можно предложить разбуриваемую муфту для ступенчатого цементирования обсадных колонн, содержащую корпус с цементировочными отверстиями, верхнюю и нижнюю втулки, помещенные в корпусе, последняя из которых перекрывает цементировочные отверстия, разрезное упорное кольцо, помещенное под нижней втулкой и связанное с корпусом резьбовым соединением, подкладное кольцо с кольцевой проточкой, выполненной в корпусе под него (а.с. N 1315604, 18.09.85 г., кл. E 21 B 33/14, опубл. в ОБ N 21, 1987 г. ). Подкладное кольцо выполнено из двух полуколец с нижней плоской и верхней конусной торцевыми поверхностями и с косыми стыками. Разрезное упорное кольцо выполнено с ответной конусной поверхностью, взаимодействующей с конусной торцевой поверхностью подкладного кольца.

Недостатком известной конструкции является следующее: недостаточно качественное цементирование верхней и нижней ступени, обусловленное необходимостью процесса разбуривания пробок, что обеспечивает негерметичность уплотнительных элементов, находящихся на наружной поверхности втулок; - в качестве прототипа взята конструкция неразбуриваемой муфты для ступенчатого цементирования обсадной колонны, состоящая из полого цилиндрического корпуса, несущего узла с муфтой, промывочного узла с отверстиями в корпусе и разрезным стопорным кольцом (пружинный замок), управляющего узла, включающего нижнее посадочное седло (втулку), перекрывающее промывочные отверстия, и верхнее посадочное седло (втулку), закрепленные срезными винтами, а также узла фиксации с уплотнительными элементами, расположенными на наружной поверхности седел (а.с. N 732498, 22.08.77 г., кл. E 21 В 33/14, опубл. в ОБ N 17, 1980 г.).

Недостатком известной конструкции является следующее: недостаточно качественное цементирование нижней ступени, обусловленное в первую очередь отсутствием по технологии цементирования спускаемой пробки из цементировочной головки, что приводит к смешиванию бурового и тампонажного растворов; отсутствием сигнала "стоп", свидетельствующего о посадке пробки в башмак колонны и стопорное кольцо. Кроме того, узлы муфты не обеспечивают надежной герметичности, т.к. после процесса цементирования верхней ступени устройство не обеспечивает сброс верхнего и нижнего седел (втулок) в башмак колонны, что влечет за собой, при дальнейшем спуске бурильного инструмента, последующее вращение седел (втулок) и выход из строя уплотнительных элементов.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, обеспечивает повышение качества цементирования нижней ступени обсадной колонны за счет: - четкого разделения бурового и тампонажного растворов в обсадной колонне и затрубном пространстве и получения сигнала "стоп", свидетельствующего о посадке пробки, сбрасываемой из цементировочной головки, в башмак колонны; - надежной герметичности муфты и ее узлов после процесса цементирования, достигаемой полным освобождением канала ствола муфты и применением комплекса цилиндрических элементов с особенностями их крепления друг с другом.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего полый цилиндрический корпус с промывочными отверстиями, несущий узел со скрепляющей муфтой, промывочным узлом и стопорным кольцом, управляющий узел с нижним посадочным седлом, перекрывающим промывочные отверстия, и верхним посадочным седлом, закрепленные срезными винтами, и уплотнительные элементы на наружной поверхности посадочных седел, в котором корпус на наружной поверхности имеет кольцевую проточку, осевые пазы в нижней части внутренней поверхности и перепускные отверстия, несущий узел содержит ствол, скрепленный муфтой с обсадной трубой верхней ступени, и имеет промывочные отверстия, расположенные коаксиально относительно промывочных отверстий корпуса, и коническую проточку для посадки разрезного стопорного кольца, а промывочный узел содержит втулку, выполненную в нижней части по торцевой поверхности с продольными выступами, входящими в ответные пазы корпуса, с промывочными отверстиями, расположенными коаксиально относительно промывочных отверстий корпуса, и скрепленную срезными винтами с корпусом, при этом управляющий узел содержит пробку с армированным металлическим основанием, перекрывающую промывочные отверстия корпуса, проволочную навивку, расположенную в кольцевой проточке корпуса, его нижнее посадочное седло перекрывает промывочные отверстия ствола и имеет на внутренней поверхности конические выступы, соответствующие углу наклона пластичных элементов пробки для цементирования нижней ступени, а верхнее посадочное седло скреплено со стволом с возможностью перемещения и открытия отверстий ствола и передачи давления через эти отверстия в кольцевую полость, которая образована втулкой, корпусом, стволом и фиксатором корпуса со стволом, при этом корпус со втулкой и втулку со стволом герметизирует ряд уплотнительных элементов, расположенных за последним.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: совокупность конструктивных элементов отличительной части формулы, а именно, применение комплекса цилиндрических элементов с особенностями их крепления друг с другом, особенности конструкции управляющего узла, обеспечивающие полную проходимость ствола, не выявлены по имеющимся источникам известности. Предлагаемая конструкция соответствует условию изобретательского уровня.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами: на фиг. 1 представлено устройство в исходном положении; на фиг. 2 показан разрез А-А фиг. 1; на фиг. 3 представлено устройство в процессе цементирования нижней ступени; на фиг. 4 представлено устройство в момент открытия промывочных отверстий; на фиг. 5 представлено устройство в процессе цементирования верхней ступени.

Заявляемое устройство имеет полый цилиндрический корпус 1, имеющий на наружной поверхности кольцевую проточку 2, осевые пазы 3 в нижней части внутренней поверхности, перепускные отверстия 4, а также промывочные отверстия 5. Несущий узел муфты содержит ствол 6, скрепленный муфтой 7 с обсадной трубой 8 верхней ступени (фиг. 3). Промывочные отверстия 9 ствола 6 этого узла расположены коаксиально относительно промывочных отверстий 5 корпуса 1. Ствол 6 имеет коническую проточку 10 для посадки разрезного стопорного кольца 11. Промывочный узел содержит втулку 12, выполненную в нижней части по торцевой поверхности с продольными выступами 13, входящими в ответные пазы 3 корпуса 1, а также промывочные отверстия 14, расположенные коаксиально относительно промывочных отверстий 5 корпуса 1. Втулка 12 скреплена срезными винтами 15 с корпусом 1.

Управляющий узел содержит нижнее посадочное седло 16, перекрывающее промывочные отверстия 9 ствола 6. Внутренняя поверхность посадочного седла 16 имеет конические выступы 17, соответствующие углу наклона пластичных элементов пробки 18, используемой для цементирования нижней ступени 19.

Верхнее посадочное седло 20, а также нижнее посадочное седло 16 скреплены со стволом 6 срезными винтами 21 и 22 соответственно с возможностью перемещения и открытия отверстий 23 ствола 6 и передачи давления через эти отверстия в кольцевую полость 24.

Последняя образована втулкой 12, корпусом 1, стволом 6 и фиксатором 25 корпуса 1 со стволом 6. При этом управляющий узел содержит пробку 26 с армированным металлическим основанием, перекрывающую промывочные отверстия 5 корпуса 1, а также проволочную навивку 27, расположенную в кольцевой проточке 2 корпуса 1. Корпус 1 со втулкой 12 и втулку 2 со стволом 6 герметизирует ряд уплотнительных элементов 28 и 29, расположенных за последним.

Кроме того, свинченное резьбовое соединение корпуса 1 и ствола 6 закреплено винтами 30 от возможного разворота свинченной резьбы, а верхнее 20 и нижнее 16 посадочные седла загерметизированы со стволом 6 рядом уплотнительных элементов 31, размещенных на их наружных поверхностях. Дополнительно в комплект устройства входит стопорное кольцо 32, а также падающая пробка 33 и сбрасываемые пробки 18 и 34.

Устройство для обсадной колонны диаметром 168 мм имеет следующие габариты: наружный диаметр 203 мм; внутренний диаметр без седел 142 мм; длина 835 мм; масса - не более 120 кг.

Качество заготовок, используемых для изготовления деталей муфты, должны соответствовать:
- нормам химического состава на сталь легированную конструкционную ГОСТ 4543-71, специальную легированную пружинную проволоку ГОСТ 14963-78;
- предельным отклонениям по наружному диаметру и толщине для стальных бесшовных горячедеформированных труб обычной точности изготовления согласно ГОСТ 8479-70.

Резино-технические изделия должны изготавливаться из резины марки ИРП 1345 ТУ 38-005-204-84.

Шероховатость металлических деталей должна соответствовать ГОСТ 2789-73 и техническим требованиям чертежей.

Спуск и присоединение муфты осуществляют после спуска нижней секции обсадной колонны 168 мм, группы прочности "Д" с максимальной толщиной стенки 10 мм, путем присоединения муфты к ней с помощью резьбы обсадной трубы 168 мм ГОСТ 632-80. К верхней секции она также присоединяется с помощью резьбового соединения обсадной трубы 168 мм ГОСТ 632-80. Дальнейший спуск муфты осуществляют на заданную глубину с помощью стандартных элеваторов и спуска обсадных труб верхней секции.

Устройство работает следующим образом: после закачивания тампонажного раствора в скважину при цементировании нижней ступени (фиг. 3) из цементировочной головки сбрасывают пробку 18, за которой следует закачивание бурового раствора. Под действием избыточного давления пробка 18 толкает впереди себя тампонажный раствор и по окончании процесса цементирования садится на посадочное стопорное кольцо 32. Через верхнее посадочное седло 20 пробка 18 проходит беспрепятственно, т. к. оно имеет больший внутренний диаметр, чем наконечник пробки 18. При прохождении пробки 18 через нижнее посадочное седло 16, т.к. оно имеет меньший внутренний диаметр, чем седло 20, пластичные элементы пробки 18 частично сжимаются в минимальном диаметре седла 16 и не разрываются, т. к. выступы 17 выполнены коническими, соответствующими углу наклона пластичных элементов пробки. Таким образом, пластичные элементы пробки 18, благодаря которым впереди них идет тампонажный раствор для цементирования нижней ступени, а после них перемещается буровой раствор, остаются неразрушенными. После посадки пробки 18 (фиг. 4) в посадочное стопорное кольцо 32 и получения сигнала "стоп", что характеризуется повышением давления в цементировочной головке и свидетельствует об окончании процесса цементирования нижней ступени, давление в цементировочной головке сбрасывается и из нее пускают падающую пробку 33. Эта пробка проходит по верхней ступени 8, заходит в устройство и садится на конус нижнего посадочного седла 16. Под действием перепада давления бурового раствора винты 22 срезаются и нижнее посадочное седло 16 вместе с падающей пробкой 33 перемещаются вниз, открывая промывочные отверстия 9 ствола 6. Таким образом, достигается доступ давления бурового раствора в обсадной колонне к резиновым пробкам 26, находящимся в промывочных отверстиях 5 корпуса 1. При создании давления бурового раствора в обсадной колонне нагрузка от резиновых пробок 26 передается на их стальные основания. Резиновые пробки 26 вместе с основаниями остаются на месте до тех пор, пока давление бурового раствора в колонне не достигнет величины разрыва проволочной навивки 27. По достижении этой величины пробки 26 вместе с основаниями выходят из промывочных отверстий 5 корпуса 1, которые остаются открытыми, что дает возможность провести процесс цементирования верхней ступени 8.

Через открытые промывочные отверстия 5 скважину промывают до полного вымыва на поверхность тампонажного раствора, поднятого при цементировании нижней ступени 19, выше промывочных отверстий. Затем приступают к цементированию верхней ступени 8 (фиг. 5). Вслед за тампонажным раствором сбрасывают из цементировочной головки пробку 34. После вытеснения за верхнюю ступень всего объема тампонажного раствора пробка 34 садится на конечную поверхность посадочного седла 20. За счет действия давления бурового раствора над пробкой 34 винты 21 срезаются и пробка 34 вместе с верхним посадочным седлом 20 перемещается вниз. Перемещение прекращается, когда откроются в стволе 6 отверстия 23 и давление бурового раствора перейдет от отверстий 23 в кольцевую полость 24. Под действием этого давления втулка 12 опустится вниз, срезая винты 15. Промывочные отверстия 14 втулки 12 и промывочные отверстия 5 корпуса 1 при этом перекрываются, и в конечном положении выступы 13 переместятся по осевым пазам 3 корпуса 1, выталкивая жидкость через перепускные отверстия 4. Разрезное стопорное кольцо 11 втулки 12 переместится вниз и войдет в проточку 10 ствола 6, что не позволит перемещаться втулке 12 вверх и открыть промывочные отверстия 9 ствола 6 и 5 корпуса 1. Перемещение вниз верхнего 20 и нижнего 16 посадочных седел вместе с пробками 34 и 33 по стволу 6 вызвано перепадом давления бурового раствора, действующим на указанные пробки и седла. В дальнейшем в скважину (колонну) спускают бурильные трубы, пробка 34 с верхним посадочным седлом 20 проталкивается вниз до их совместной посадки на падающую пробку 33 с седлом 16 и пробку 18, которые разбуривают в башмаке колонны, а не в самой муфте ступенчатого цементирования.

Таким образом, конструкция муфты ступенчатого цементирования обеспечивает раздельное применение потоков бурового и тампонажного растворов, ствол муфты и нижняя секция освобождаются от посадочных седел, сбрасываемых и падающих пробок, отсутствует необходимость их разбуривания, что в конечном итоге сохраняет прочность связи корпуса с втулкой и втулки со стволом.

Формула изобретения

Неразбуриваемая муфта для ступенчатого цементирования обсадной колонны, содержащая полый цилиндрический корпус с промывочными отверстиями, несущий узел со скрепляющей муфтой, промывочным узлом и стопорным кольцом, управляющий узел с нижним посадочным седлом, перекрывающим промывочные отверстия, и верхним посадочным седлом, закрепленные срезными винтами, и уплотнительные элементы на наружной поверхности посадочных седел, отличающаяся тем, что корпус на наружной поверхности имеет кольцевую проточку, осевые пазы в нижней части внутренней поверхности и перепускные отверстия, несущий узел содержит ствол, скрепленный муфтой с обсадной трубой верхней ступени, и имеет промывочные отверстия, расположенные коаксиально относительно промывочных отверстий корпуса, и коническую проточку для посадки разрезного стопорного кольца, а промывочный узел содержит втулку, выполненную в нижней части по торцевой поверхности с продольными выступами, входящими в ответные пазы корпуса, с промывочными отверстиями, расположенными коаксиально относительно промывочных отверстий корпуса, и скрепленную срезными винтами с корпусом, при этом управляющий узел содержит пробку с армированным металлическим основанием, перекрывающую промывочные отверстия корпуса, проволочную навивку, расположенную в кольцевой проточке корпуса, его нижнее посадочное седло перекрывает промывочные отверстия ствола и имеет на внутренней поверхности конические выступы, соответствующие углу наклона пластичных элементов пробки для цементирования нижней ступени, а верхнее посадочное седло скреплено со стволом с возможностью перемещения и открытия отверстий ствола и передачи давления через эти отверстия в кольцевую полость, которая образована втулкой, корпусом, стволом и фиксатором корпуса со стволом, при этом корпус с втулкой и втулку со стволом герметизирует ряд уплотнительных элементов, расположенных за последним.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5