Устройство для изоляции зоны осложнения с предварительной промывкой

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для изоляции зоны осложнения ствола скважины с предварительной промывкой при бурении.

Известно устройство для изоляции осложнений в скважине профильными перекрывателями (патент RU № 2433246, МПК Е21В 29/10, опубл. 10.11.2011 в бюл. № 31), включающее профильный перекрыватель с герметично установленными верхним и нижним сферическими упорами, соединенными между собой патрубком, расширяющийся конус ниже перекрывателя и посадочный инструмент выше перекрывателя в виде гидродомкрата с якорным узлом. При наличии нескольких интервалов изоляции устанавливают несколько аналогичных по конструкции перекрывателей, верхние и нижние дорнирующие узлы которых соединены между собой патрубками.

Недостатками устройства являются:

- невозможность применить предварительную промывку скважины через устройство при его спуске и перед расширением перекрывателя, что может привести к накоплению скважинного шлама в полости перекрывателя и в пространстве за его наружной стенкой и, как следствие, затруднить установку перекрывателя;

- низкая надежность применения устройства, так как при применении гидродомкрата с якорем в необсаженном стволе скважины возможно страгивание якоря относительно стенок скважины, в результате чего может не хватить усилия для проталкивания дорнирующего инструмента через перекрыватель;

- низкая надежность манжетных уплотнений на концах перекрывателя из-за их открытой конструкции и вероятности повреждения манжет шламом, кусками породы и т.д.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для изоляции зоны осложнения с предварительной промывкой (патент RU № 2618546, МПК Е21В 29/10, опубл. 04.05.2017 в бюл. № 13), включающее профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, внутренний дорн, размещенный в верхней цилиндрической части перекрывателя, башмак, расширяющую головку, состоящую из нескольких расширяющих секций, установленных друг над другом с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя, и содержащую сверху узел соединения с колонной бурильных труб.

Снизу перекрывателя установлен башмак с седлом обратного клапана и ловителем. Сверху перекрывателя установлена расширяющая головка, содержащая снизу замковый механизм, соединенный с верхним концом перекрывателя, с нижним дорном и ловильной головкой внизу под ловитель башмака. Специальный дорн выполнен в виде конуса, расширяющегося снизу вверх, а направляющая – в виде цилиндра, на котором герметично установлен внутренний дорн с возможностью перемещения вверх под действием давления внутри перекрывателя во время установки до взаимодействия со специальным дорном. Внутри замкового механизма размещена поперечная перегородка с двумя продольными каналами, один из которых выполнен диаметром, позволяющим пропускать выбранный расход жидкости для прямой промывки перекрывателя, а второй – снабжен герметично установленным шариком обратного клапана башмака. Шарик выполнен с возможностью выдавливания из второго канала при превышении выбранного перепада давлений выше и ниже перегородки и герметичной посадки в седло башмака, на котором установлен фиксатор при помощи срезных элементов для аварийного отсоединения башмака от перекрывателя при помощи ловильной головки и ловителя.

Недостатками устройства являются:

- низкая надежность применения устройства за счет необходимости использовать дополнительно скважинный гидродомкрат с якорем при недостаточном весе колонны труб, что повышает вероятность страгивания якоря относительно стенок скважины в необсаженном стволе скважины, в результате чего может не хватить усилия для проталкивания дорнирующего инструмента через перекрыватель, а также за счет большой вероятности преждевременного выдавливания гидравлическим давлением шарика обратного клапана башмака из зауженного патрубка в верхней части перекрывателя, так как механические свойства материала патрубка нестабильны в разных партиях поставки, что может привести к несанкционированной установке перекрывателя, или же наоборот, невозможности выдавливания шарика и, как следствие, невозможности расширения перекрывателя гидравлическим давлением;

- невозможно осуществить промывку скважины при установке перекрывателя и после полной раздачи профильных труб, а также при заклинивании расширяющей головки в перекрывателе после установки его гидравлическим давлением.

Техническими задачами изобретения являются повышение эффективности изоляции зоны осложнения за счет повышения надежности установки перекрывателя в скважине и снижения затрат путем возможности проводить прямую промывку скважины для удаления шлама при спуске перекрывателя, перед его установкой и после установки перекрывателя за счет применения специального клапана, а также создания достаточного усилия на дорнирующий инструмент, исключающего применение гидродомкрата с якорем, путем размещения дорнирующего инструмента ниже перекрывателя и раздачи перекрывателя снизу-вверх за счет использования грузоподъемности бурильного станка и создания дополнительного усилия от перепада давления под дорнирующим инструментом, а также расширение технологических возможностей устройства.

Технические задачи решаются устройством для изоляции зоны осложнения с предварительной промывкой, включающим профильный перекрыватель с цилиндрическими участками и резьбовыми соединениями, внутренний дорн, размещенный в верхней цилиндрической части перекрывателя, направляющий башмак, расширяющую головку, состоящую из нескольких расширяющих секций, установленных друг над другом с уменьшающимися по диаметру рабочими поверхностями в сторону перекрывателя, и содержащую сверху узел соединения с колонной бурильных труб.

Новым является то, что в нижней цилиндрической части перекрывателя дополнительно размещен нижний внутренний дорн и ниже последовательно размещены расширяющие секции, причем нижний внутренний дорн соединен колонной бурильных труб с верхним внутренним дорном, при этом внутри профильного перекрывателя размещен клапан, клапан выполнен из полого корпуса с верхней муфтовой и нижней ниппельной резьбами, обеспечивающими соединение с бурильными трубами, в нижней части корпуса клапана выполнена внутренняя полая втулка заодно с корпусом, в верхней и нижней частях внутренней полой втулки выполнены отверстия, обеспечивающие открытие сквозного центрального канала для прохода жидкости после расширения перекрывателя давлением, а в верхней части корпуса клапана выполнены радиальные отверстия, причем в верхней части полого корпуса клапана размещена подвижная втулка с радиальными отверстиями и седлом под шар, и выполненная с возможностью ограниченного осевого перемещения до совмещения с радиальными отверстиями корпуса клапана, обеспечивающего расширение перекрывателя давлением, а в нижней части полого корпуса клапана размещен подвижный упор, установленный в сквозном центральном канале корпуса ниже подвижной втулки с возможностью осевого перемещения усилием подвижной втулки между корпусом клапана и внутренней полой втулкой, при этом подвижная втулка и подвижный упор зафиксированы срезными штифтами.

На фиг. 1 показано устройство в скважине в транспортном положении, на фиг. 2 – устройство, установленное в скважине давлением, на фиг. 3, 4 и 5 – клапан соответственно в трех положениях (увеличено).

Устройство для изоляции зоны осложнения с предварительной промывкой содержит перекрыватель 1 (фиг. 1), скомпонованный из профильных труб 2 с цилиндрическими участками на концах, содержащих резьбы (на фиг. не показаны) для соединения между собой.

В верхней цилиндрической части 3 перекрывателя 1 герметично (благодаря уплотнительным кольцам 4) установлен внутренний дорн 5.

Ниже перекрывателя 1 установлена расширяющая головка 6, состоящая из раздвижных дорнирующих секций 7, 8 и 9, расположенных друг над другом. Причем рабочий диаметр верхней секции 7 меньше, чем у нижерасположенной секции 8, а рабочий диаметр секции 8 в свою очередь меньше, чем у нижней секции 9. На нижнем конце расширяющей головки 6 установлен направляющий башмак 10, а сверху – узел соединения 11 (например, резьба) с колонной бурильных труб 12.

Причем нижняя цилиндрическая часть 13 перекрывателя 1 также, как и верхняя 3, содержит нижний внутренний дорн 14 с уплотнительными кольцами 15, который жестко (например, с помощью резьбы) соединен с расширяющей головкой 6, расположенной ниже и узлом соединения 11, находящимся выше него. Нижний внутренний дорн 14 через узел соединения 11 соединен колонной бурильных труб 12 с верхним внутренним дорном 5 таким образом, чтобы исключить осевые перемещения обоих дорнов внутри перекрывателя 1 до его установки в скважине. Для этого нижний 14 и верхний 5 внутренние дорны устанавливают при сборке с упором в переходные участки (от цилиндра к профилю) 16, 17 верхней и нижней частей перекрывателя 1 за счет подбора соответствующей длины колонны бурильных труб 12 внутри перекрывателя 1.

Бурильные трубы 12 внутри перекрывателя 1 оснащают клапаном 18, состоящим из корпуса 19 (фиг. 3) со сквозным центральным каналом 20, верхней муфтовой резьбой 21 и нижней ниппельной резьбой 22 для соединения с бурильными трубами 12 (фиг. 1). В нижней части корпуса 19 (фиг. 3) выполнена внутренняя полая втулка 23 заодно с корпусом, в верхней и нижней частях внутренней полой втулки 23 выполнены отверстия 24 и 25, обеспечивающие открытие сквозного центрального канала 20 для прохода жидкости после расширения перекрывателя 1 (фиг. 1, 2) давлением. Причем количество и диаметр отверстий 24 и 25 (фиг. 3) рассчитаны на пропуск необходимого объема жидкости через клапан.

В верхней части корпуса 19 (фиг. 3) клапана выполнены радиальные отверстия 26 (не менее двух), которые герметично за счет уплотнительных колец 27, закрыты изнутри подвижной втулкой 28. Подвижная втулка 28 также оснащена радиальными отверстиями 29 (не менее двух), которые изолированы от радиальных отверстий 26 корпуса 19 уплотнительными кольцами 27, причем при ограниченном осевом перемещении подвижной втулки 28 радиальные отверстия 29 совмещаются с радиальными отверстиями 26 корпуса 19 клапана, обеспечивая тем самым расширение перекрывателя 1 (фиг. 1, 2) давлением. Кроме того, подвижная втулка 28 (фиг. 3) оснащена в нижней части седлом 30 под бросовый шар 31 (фиг. 4, 5).

В нижней части корпуса 19 (фиг. 3) клапана размещен подвижный упор 32, установленный в сквозном центральном канале 20 корпуса 19 клапана ниже подвижной втулки 28 с возможностью осевого перемещения усилием подвижной втулки 28 между корпусом 19 клапана и внутренней полой втулкой 23. Подвижный упор 32 выполнен в виде цилиндрической втулки. При этом подвижная втулка 28 и подвижный упор 32 зафиксированы срезными штифтами 33 (как минимум 4 шт.) и 34 (как минимум 6 шт.) соответственно. Причем срезные штифты 34 подвижного упора 32 (благодаря большему их количеству или диаметру) рассчитаны на разрушение более высоким давлением, чем срезные штифты 33 подвижной втулки 28.

Работает устройство следующим образом.

Перед спуском в скважину 35 (фиг. 1) нижний внутренний дорн 14 помещают в нижнюю цилиндрическую часть 13 перекрывателя 1 до упора сверху в переходный участок 17 и фиксируют снизу, например, с помощью завальцовки. Снизу к нижнему внутреннему дорну 14 крепят расширяющую головку 6 с направляющим башмаком 10. Для защиты уплотнительных колец 15 от скважинного шлама кольцевую щель по периметру завальцовки нижней цилиндрической части 13 перекрывателя 1 закрывают, например, битумной или тиоколовой мастикой 36.

Затем перекрыватель 1 спускают в скважину 35, последовательно соединяя цилиндрическими участками с помощью резьб профильные трубы 2 между собой.

После установки последней верхней профильной трубы 2 спуск перекрывателя 1 прекращают и начинают спускать внутрь него колонну бурильных труб 12 с установленным на ней в расчетном месте (благодаря резьбам 21, 22 (фиг. 3)) клапаном 18 (фиг. 1) и верхним внутренним дорном 5 до соединения с узлом 11.

Причем длину последней бурильной трубы 12 подбирают таким образом, чтобы обеспечить упор верхнего внутреннего дорна 5 в переходный участок 16 верхнего конца перекрывателя 1. Для защиты уплотнительных колец 4 внутреннего дорна 5 от скважинного шлама кольцевой зазор по периметру верхней цилиндрической части 3 перекрывателя 1 также, как и снизу закрывают, например, битумной или тиоколовой мастикой 37.

Далее устройство на колонне бурильных труб 12 спускают в скважину 35 до интервала установки профильного перекрывателя 1. В процессе спуска для исключения скопления шлама снаружи перекрывателя 1, периодически осуществляют прямую промывку скважины 35 через колонну бурильных труб 12 с помощью бурового насоса.

При этом промывочная жидкость проходит через сквозной центральный канал 20 (фиг. 3) клапана 18 (фиг. 1), центральные каналы (на фиг. не показаны) расширяющей головки 6 и направляющего башмака 10. Таким образом весь шлам выносится на поверхность по затрубному пространству.

После спуска перекрывателя 1 (фиг. 1, 2) в интервал установки для изоляции зоны осложнения внутрь колонны бурильных труб бросают шар 31 (фиг. 4) и включают буровой насос. Шар 31 с потоком промывочной жидкости достигает седла 30 подвижной втулки 28 клапана 18 (фиг. 1, 2) и перекрывает сквозной центральный канал 20 (фиг. 4) клапана. С помощью бурового насоса создают в колонне бурильных труб 12 (фиг. 1, 2) расчетное гидравлическое давление (например, 15 МПа), под действием которого и благодаря уплотнительным кольцам 27 (фиг. 4), подвижная втулка 28 клапана сдвигается вниз до подвижного упора 32, а срезные штифты 33 разрушаются. При этом радиальные отверстия 29 подвижной втулки 28 совмещаются с радиальными отверстиями 26 корпуса 19 клапана, обеспечивая тем самым переток жидкости во внутреннюю полость перекрывателя 1 (фиг. 2) и выправление профильных труб 2 гидравлическим давлением до плотного их прижатия к стенкам скважины 35.

Далее создают избыточное (более расчетного на 2–3 МПа) гидравлическое давление в колонне бурильных труб 12, подвижная втулка 28 (фиг. 5) воздействует на подвижный упор 32, срезные штифты 34 которого разрушаются и подвижный упор 32 с подвижной втулкой 28 сдвигаются вниз, открывая отверстия 24 в верхней части внутренней полой втулки 23 корпуса 19 клапана для прохода жидкости. При этом через отверстия 25 в нижней части внутренней полой втулки стравливается избыточное давление под подвижным упором 32, а шар 31 фиксируется на верхнем торце 38 внутренней полой втулки 23 не препятствуя перетоку жидкости по сквозному центральному каналу 20.

После чего производят подъем колонны бурильных труб 12 (фиг. 2) с верхним и нижним внутренними дорнами 5, 14, клапаном 18, расширяющей головкой 6 и направляющим башмаком 10. Дорнирующие раздвижные секции 7, 8, 9 расширяющей головки 6 начинают последовательно расширять профильные трубы 2 перекрывателя 1 до более плотного прижатия их к стенкам скважины 35.

Одновременно через колонну бурильных труб 12 продолжают нагнетать промывочную жидкость для создания дополнительного усилия снизу-вверх на дорнирующий инструмент 7, 8 и 9 от перепада давления под ним.

После полной раздачи профильных труб 2 перекрывателя 1 компоновку, состоящую из внутренних дорнов 5, 14, клапана 18, расширяющей головки 6 и направляющего башмака 10 на колонне бурильных труб 12 извлекают из скважины 35, продолжая при этом прямую промывку скважины 35 для выноса излишков шлама.

Предложенное устройство обладает большой надежностью за счет возможности непрерывной прямой промывки скважины от шлама благодаря конструкции клапана, позволяющего использовать систему радиальных и продольных каналов как для промывки скважины, так и для установки профильного перекрывателя гидравлическим давлением. Причем размещение дорнирующего инструмента ниже перекрывателя и раздача его снизу-вверх за счет грузоподъемности бурильного станка и создания дополнительного усилия от перепада давления под дорнирующим инструментом позволяют исключить дополнительное подъемное оборудование для установки перекрывателя, повысить качество и снизить затраты на строительство скважины.