Результат интеллектуальной деятельности: "ОСНАСТКА ПРЯМОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ С ОБРАТНЫМ КЛАПАНОМ"

Изобретение относится к области крепления нефтяных и газовых скважин, а именно к оборудованию для цементирования обсадных колонн в вертикальных и наклонно-направленных скважинах методом прямой циркуляции.

Известно оборудование для обсадной колонны, включающее устанавливаемый выше башмака подпружиненный обратный клапан тарельчатого типа с возможностью открытия от воздействия вертикального осевого усилия сверху вниз (см. описание изобретения к патенту РФ №2086752, Е21В 33/14, опубл. 10.08.87).

Недостатком известного оборудования является необходимость применения дополнительной колонны промывочных труб, спуск их в скважину, создание осевой нагрузки на запорный элемент клапана и противодавления в колонне, контроль и регулировка этих параметров в процессе цементирования. Это значительно усложняет сам процесс цементирования, увеличивает его по времени и трудоемкости. Кроме того, имеется опасность самопроизвольного открытия обратного клапана под давлением жидкости в промывочных трубах и попадания этой жидкости в тампонажный раствор во время промывки труб и межтрубного пространства.

Известно оборудование для цементирования обсадной колонны, включающее посадочное седло, выполненное с возможностью закрепления в резьбовом соединении на муфте обсадной колонны, и уплотняемый в посадочном седле наконечник промывочной колонны, причем в нижней части посадочного седла выполнено гнездо для уплотнения и фиксации цементировочной пробки, продавливаемой через промывочную колонну и снабженной кольцевым пружинным фиксатором с распорным конусом, которые размещены на стержне пробки выше уплотнительного кольца и выполнены подвижными вдоль по стержню, а к верхнему концу стержня прикреплена эластичная направляющая манжета (см. описание полезной модели №59128, Е21В 33/14, опубл. 10.12.2006).

Известное оборудование для цементирования применимо в составе обсадной колонны определенного диаметра, выполненной с муфтой для крепления седла. Принцип крепления оборудования по внутреннему диаметру муфты (в разрез между резьбовыми частями обсадных труб) ограничивает возможности его применения и исключает установку в большинство современных резьбовых соединений. Оборудование не отличается простотой и удобством эксплуатации.

Наиболее близкой к предлагаемой оснастке является оснастка для цементирования обсадной колонны, содержащая общий корпус для посадочного седла, выполненного с гнездом для уплотнения и фиксации цементировочной пробки, и обратный клапан, включающий втулку и седло в виде усеченного конуса для запорного элемента, причем посадочное седло для цементировочной пробки и седло обратного клапана выполнены заодно целое, запорный узел выполнен в виде обращенного к большему основанию седла штока со срезными винтами и множеством шариков, а часть втулки обратного клапана закреплена снаружи посадочного седла для цементировочной пробки (см. патент США №7533728, Е21В 33/14, опубл. 19.05.2009 - прототип).

Известная оснастка позволяет выполнить цементирование заколонного пространства методами прямого или обратного цементирования. При прямом цементировании тампонажный (цементный) раствор поступает через внутренний канал обсадной колонны с вытеснением его в заколонное пространство снизу вверх. В этом случае продавка цементного (тампонажного) раствора производится при помощи разделительной пробки. После посадки пробки в седло и получения момента «Стоп» происходит фиксация пробки в седле и разделение внутриколонного и заколонного (кольцевого) пространств (FIG 4А). При этом клапан 7 остается, закреплен срезными винтами 13 и не перекрывает внутриколонного пространства. Таким образом, разделение кольцевого и внутриколонного пространств осуществляется только пробкой. При обратном цементировании тампонажный (цементный) раствор поступает через заколонное пространство с вытеснением скважинной жидкости сверху вниз через внутренний проходной канал. В этом случае, чтобы понять, когда тампонажный раствор достиг конечной цели, применяются специальные шарики, которые затыкают отверстия 11 вокруг клапана, и возникающее давление выталкивает клапан 7 в седло 2. Цементировочная пробка в этом случае не используется. Таким образом, при прямом или обратном цементировании в известной оснастке обеспечивается только одна степень защиты (перекрытие проходного канала или клапаном, или пробкой).

Известная оснастка некомпактна по длине, имеет низкую надежность перекрытия обсадной колонны после завершения циркуляции тампонажного раствора в связи с обеспечением только одного уровня герметичности в канале оснастки и сложную конструкцию из-за необходимости применения множества шариков, что снижает оперативность, маневренность и удобство работы при ее спуске в обсадную колонну. При этом в известной оснастке не имеется фиксации запорных элементов (пробки или клапана) от вращения вокруг оси, что очень важно для оперативности разбуривания этих элементов после затвердевания цемента.

Техническим результатом изобретения является создание компактной автономной универсальной прочной конструкции оснастки для цементирования с оперативной простой удобной установкой в обсадную колонну, высокой надежностью перекрытия обсадной колонны после завершения циркуляции тампонажного раствора (в связи с обеспечением двух уровней герметичности в канале оснастки одновременно пробкой и обратным клапаном) и фиксацией запорных элементов от вращения для оперативного разбуривания оснастки после цементирования.

Указанная цель достигается тем, что в оснастке прямого цементирования обсадной колонны с обратным клапаном, содержащей общий корпус для посадочного седла со сквозным каналом, выполненного с возможностью уплотнения и фиксации цементировочной пробки, и обратного клапана, включающего втулку и седло для запорного элемента, образованное в верхней части втулки, соединенной с посадочным седлом, обратный клапан выполнен с запорным элементом в виде шара и раздвижным седлом с эластичным уплотнением, причем верхняя часть втулки обратного клапана закреплена внутри сквозного канала посадочного седла для цементировочной пробки, посадочное седло выполнено с проточками, а цементировочная пробка снабжена фиксатором с зубчатой поверхностью для вставки в указанные проточки при установке цементировочной пробки в посадочное седло.

Цементировочную пробку предпочтительно выполнить с упорным выступом на торце, а посадочное седло выполнить со стопорным элементом для ограничения вращения цементировочной пробки при разбуривании оснастки после цементирования.

Целесообразно стопорный элемент выполнить в виде гайки с двумя ограничительными выступами для размещения между ними упорного выступа цементировочной пробки в конечном ее положении.

Предпочтительно верхнюю часть втулки обратного клапана закрепить внутри посадочного седла для цементировочной пробки резьбовым соединением.

Целесообразно обратный клапан выполнить дроссельным типа ЦКОД.

При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, предложенное решение соответствует критерию "новизна". Сущность изобретения не следует явным образом из известных решений, следовательно, предложенное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 представлена оснастка для цементирования обсадной колонны в разрезе без шара.

На фиг. 2 изображена цементировочная пробка в разрезе.

На фиг. 3 показан увеличенный фрагмент А в фиг. 2.

На фиг. 4 показан наконечник цементировочной пробки с упорным выступом на торце.

На фиг. 5 показан стопорный элемент в виде гайки с ограничительными выступами.

На фиг. 6 показано конечное положение цементировочной пробки относительно стопорного элемента.

На фиг. 7 представлена оснастка для цементирования обсадной колонны в разрезе с шаром.

На фиг. 8 изображена оснастка для цементирования обсадной колонны в разрезе с шаром и цементировочной пробкой (в конечном положении).

На фиг. 9 показан увеличенный фрагмент D в фиг. 5.

Фиг. 10 иллюстрирует схему цементирования обсадной колонны по этапам а), б), в), г).

На фиг. 1-10 приняты следующие обозначения:

1 - общий корпус;

2 - посадочное седло;

3 - цементировочная пробка;

4 - обратный клапан;

5 - шар (запорный элемент);

6 - проточки;

7 - фиксатор;

8 - стопорный элемент (в виде гайки);

9 - втулка;

10 - кольцо нажимное;

11 - резиновая манжета;

12 - верхняя разрезная обойма;

13 - нижняя разрезная обойма;

14 -упорное кольцо;

15 - кольцевой ограничитель;

16 - пята;

17 - пружина;

18 - подвижный полый шток;

19 - упор;

20 - выходное отверстие (упора 19);

21 - отверстие (кольцевого ограничителя 15);

22 - упорный выступ (на торце наконечника 23 цементировочной пробки 3);

23 - наконечник (цементировочной пробки 3);

24 - ограничительный выступ (стопорного элемента 8 в виде гайки);

25 - обсадная колонна;

26 - башмак;

27 - буровой раствор (промывочная жидкость);

28 - цементный раствор;

29 - затрубное пространство.

Оснастка для цементирования обсадной колонны содержит (фиг. 1, фиг. 7) общий корпус 1 трубчатой формы, в котором размещены посадочное седло 2 со сквозным каналом, выполненное с возможностью уплотнения и фиксации цементировочной пробки 3 (фиг. 2), и обратный клапан 4 типа ЦКОД (циркуляционный клапан обратный дроссельный) с запорным элементом в виде шара 5 со свободным перемещением. В посадочном седле 2 имеются специальные проточки 6, а в цементировочной пробке (фиг. 2) соответствующий фиксатор 7 (фиг. 3) с зубчатой поверхностью (для вставки в указанные проточки 6), выполненный для надежной фиксации цементировочной пробки 3 в осевом направлении после ее установки в посадочное седло 2. В посадочном седле 2 установлен также стопорный элемент 8 в виде гайки, которая предотвращает проворачивание (вращение) цементировочной пробки 3 при разбуривании обсадной колонны после цементирования.

Обратный клапан 4 включает втулку 9, в верхней части которой образовано раздвижное седло с уплотнением для посадки запорного элемента в виде шара 5, причем верхняя часть втулки 9 закреплена внутри сквозного канала посадочного седла 2 для цементировочной пробки 3. Верхняя часть втулки 9 обратного клапана 4 закреплена внутри посадочного седла 2 для цементировочной пробки 3 резьбовым соединением.

Обратный клапан 4 имеет два основных узла - запорный и дроссельный. Запорный узел смонтирован в полости втулки 9 и содержит кольцо 10 нажимное, резиновую манжету 11 для эластичного уплотнения раздвижного седла, образованного верхней и нижней разрезными обоймами 12, 13, упорное кольцо 14 и шар 5, выполненный с возможностью свободного перемещения внутри обсадной колонны. Дроссельный узел состоит из закрепленного во втулке 9 кольцевого ограничителя 15, пяты 16, пружины 17 для подпружинивания подвижного полого штока 18, упора 19 с образованием выходного отверстия 20 оснастки. Пружина 17 закреплена между пятой 16 и упором 19 с возможностью перекрытия пятой 16 снаружи выходных отверстий 21 в кольцевом ограничителе 15.

Для исключения вращения продавочной цементировочной пробки 3 при разбуривании внутренних элементов оснастки после цементирования указанная пробка 3 выполнена с упорным выступом 22 на торце ее наконечника 23 (фиг. 4) с возможностью его расположения между ограничительными выступами 24 (фиг. 5) стопорного элемента 8 в виде гайки в конечном положении цементировочной пробки 3 (фиг. 6).

Обратный клапан 4 предназначен для самозаполнения спускаемой обсадной колонны 25 с башмаком 26 буровым раствором 27 (промывочной жидкостью), предотвращения движения цементного раствора 28 или промывочной жидкости из затрубного пространства 29 в обсадную колонну 25 в процессе ее цементирования.

Оснастка является одноразовой, необслуживаемой и неремонтируемой. Рабочая среда, в которой работает оснастка, - буровой и тампонажный растворы, обработанные химическими реагентами, минерализованная ластовая вода, нефть и газ.

Оснастка работает следующим образом (фиг. 7). Общий корпус 1 скручивают с башмаком 26 (фиг. 7а) и обсадной колонной 25. После спуска обсадной колонны 25 на заданную глубину в ее внутренний проходной канал бросают шар 5. Прокачиваемый буровой раствор 27 увлекает за собой шар 5 (по сквозному каналу внутри посадочного седла 2 через кольцо 10 нажимное, верхнюю и нижнюю разрезные обоймы 12, 13, резиновую манжету 11 и упорное кольцо 14) и осуществляет посадку шара 5 в полость обратного клапана 4. В обратном клапане 4 шар 5 не препятствует прохождению цементного раствора 28 сверху вниз. После заливки в обсадную колонну 25 цементного раствора 28 пускают цементировочную пробку 3 (фиг. 7в) и начинают качать продавочную жидкость.

Цементировочная пробка 3, перемещаясь по внутреннему каналу обсадной колонны 25, гонит цементный раствор 28 перед собой. Цементный раствор 28 проходит через всю оснастку, затем через отверстия в башмаке 26 и поднимается вверх по затрубному пространству 24 (фиг. 7г) до нужного уровня, как правило до устья. Цементировочная пробка 3 садится в посадочное седло 2, фиксируется зубчатой поверхностью фиксатора 7 (фиг. 8, фиг. 9) в проточках 6 и держит гидростатическое давление, создаваемое столбом цементного раствора 28. При этом расположение упорного выступа 22 на торце наконечника 23 цементировочной пробки 3 между ограничительными выступами 24 (фиг. 6) стопорного элемента 8 в виде гайки исключает возможность вращения цементировочной пробки 3 при ее разбуривании. Шар 5, имеющий меньшую плотность, чем цементный раствор 28, поднимается вверх и плотно прижимается к той части седла обратного клапана 4, которая образована упругой резиновой манжетой 11 и нижней разрезной обоймой 13. После схватывания цемента цементировочная пробка 3, а также все внутренние детали в общем корпусе 1 разбуриваются. Возможна иная последовательность работы оснастки, когда исключается этап а) на фиг. 7. В этом случае оснастка с установленным в обратном клапане 4 шаром 5 опускается в обсадную колонну 25. Далее работа оснастки не отличается от описанного варианта.

В оснастке обеспечен двойной уровень защиты от перетекания цементного раствора из затрубного пространства во внутренний проходной канал. При этом оснастка компактна, удобна в хранении, транспортировке, установке и эксплуатации, надежно фиксируется от вращения при разбуривании.