RU2260675C1

RU2260675C1 - Device for stepped well cementation

Info

Publication number: RU2260675C1
Application number: RU2004113689/03A
Authority: RU
Inventors: ров И.Р. Асфанди (RU); И.Р. Асфандияров; ров Р.Т. Асфанди (RU); Р.Т. Асфандияров; В.А. Алексеев (RU); В.А. Алексеев; Р.Ш. Ишбулатов (RU); Р.Ш. Ишбулатов
Original assignee: Асфандияров Ильнар Расимович
Priority date: 2004-05-05
Filing date: 2004-05-05
Publication date: 2005-09-20

Abstract

FIELD: oil production, particularly for well completion and cementation thereof.

SUBSTANCE: device has body and case with cementing and process orifices, main bush with baffle, differential bush with fixing members installed to perform axial movement between case and body, cementing plugs, upper and lower adapters. Device is provided with additional bush arranged inside lower adapter with baffle having lesser diameter than that of main bush baffle. Main baffle is arranged between cementing orifices formed in body and case, which are at least partly overlapped and process orifices, which establish communication between tube space and annular space. The annular space is defined by mating inner surface of differential bushing and outer surface of the body. Differential bush is connected to resilient member by upper end thereof. Annular space is sealed by sealing rings to prevent outer pressure action.

EFFECT: increased reliability and reduced metal consumption.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области заканчивания скважин, в частности к устройствам для ступенчатого цементирования обсадных колонн и хвостовиков.The invention relates to the field of well completion, in particular to devices for stepwise cementing of casing strings and liners.

Известны устройства (муфты) для ступенчатого цементирования эксплуатационных колонн, широко применявшихся в отечественной практике типа МСЦ-1 и МСЦ-2 (Булатов А.И. и др. Справочник инженера по бурению. М.: Недра, т.1, 1985, с.332-333).Known devices (couplings) for step cementing production casing widely used in domestic practice such as MSC-1 and MSC-2 (Bulatov A.I. et al. Handbook of a drilling engineer. M .: Nedra, v.1, 1985, p. .332-333).

Недостатком этих муфт является невозможность их использования в скважинах с большими углами наклона и горизонтальных скважинах, поскольку открытие заливочных отверстий производится путем сбрасывания \падающей\ пробки (\бомбы\), которая при углах наклона более 25-30° не садится на седло муфты, заливочные отверстия не открываются и муфта не срабатывает; при разбуривании седла и \бомбы\ возможны вращения втулки - заслонки и разгерметизация ее резиновых уплотнительных элементов.The disadvantage of these couplings is the impossibility of their use in wells with large angles of inclination and horizontal wells, since the opening of the filling holes is done by dropping the \ falling \ plug (\ bomb \), which, at angles of more than 25-30 °, does not sit on the saddle of the coupling, filling the holes do not open and the clutch does not work; when drilling the saddle and \ bomb \ rotation of the sleeve - flaps and depressurization of its rubber sealing elements are possible.

Известна муфта для ступенчатого цементирования (патент РФ № 2074311, Е 21 В 33/14, оп. 27.02.97, бюл. № 6), содержащая корпус, в котором имеются отверстия, закрытые цилиндрическими пробками, зашпилькованными срезными тарированными шпильками, стальную заслонку, прикрепленную к корпусу с помощью срезных шпилек, разбуриваемую втулку, продавочную пробку второй ступени.A known coupling for step cementing (RF patent No. 2074311, E 21 B 33/14, op. 27.02.97, bull. No. 6), comprising a housing in which there are openings closed by cylindrical plugs, studded with sheared calibrated studs, a steel flap, attached to the body with shear pins, drillable sleeve, squeezing plug of the second stage.

Недостатком данного устройства является неодновременное открытие циркуляционных отверстий второй ступени (как правило, открывается одно циркуляционное отверстие) из-за неравномерности среза шпилек, что приводит к одностороннему вытеснению бурового раствора цементным и в целом к некачественному цементированию в интервале установки устройства. Не перекрытое внутритрубное пространство под устройством приводит к образованию протяженных (до 50-80 м) зон смешения бурового раствора с цементным внутри обсадных труб под устройством, что приводит к дополнительным затратам по разбуриванию протяженной зоны смешения, образовавшейся после цементирования второй ступени.The disadvantage of this device is the simultaneous opening of the circulation holes of the second stage (as a rule, one circulation hole opens) due to the uneven cut of the studs, which leads to unilateral displacement of the drilling fluid with cement and, in general, to poor cementing in the installation interval of the device. The uncovered in-pipe space under the device leads to the formation of extended (up to 50-80 m) mixing zones of the drilling fluid with cement inside the casing pipes under the device, which leads to additional costs for drilling the extended mixing zone formed after cementing the second stage.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство для ступенчатого цементирования скважин (а.с. СССР № 840300, Е 21 В 33/14, оп. 23.06.81, бюл. № 23), включающее корпус и кожух с цементировочными отверстиями, установленный между корпусом и кожухом запорный золотник, срезную втулку с посадочным седлом, перекрывающую цементировочные отверстия, дифференциальную втулку, установленную между кожухом, запорным золотником и патрубком, цементировочные пробки и верхний и нижний переходники.Closest to the proposed invention is a device for step cementing wells (AS USSR No. 840300, E 21 B 33/14, op. 23.06.81, bull. No. 23), comprising a housing and a housing with cementing holes mounted between the housing and a casing, a shut-off valve, a shear bushing with a seating saddle covering the cementing holes, a differential bushing installed between the casing, a shut-off valve and a nozzle, cementing plugs and the upper and lower adapters.

Недостатком известного устройства является возможность преждевременного смещения запорного золотника от действия пульсирующего давления при промежуточных промывках или при цементировании колонны, поскольку золотник удерживается в нерабочем положении за счет сил трения между корпусом и втулкой. Это приведет к преждевременному перекрытию цементировочных отверстий (б) и в целом к несработке устройства. На последней стадии цементирования манжеты (гофры) цементировочной пробки 20 могут вывернутся в обратную сторону от действия перепада давления (практика цементирования с применением данной конструкции цементировочных пробок показывает, что гофры выворачиваются при действии незначительного перепада давления). Это может привести к тому, что запорный золотник не сработает и не перекроет цементировочные отверстия в корпусе.A disadvantage of the known device is the possibility of premature displacement of the shut-off valve from the action of pulsating pressure during intermediate flushing or during cementing of the column, since the valve is held inoperative due to friction between the housing and the sleeve. This will lead to premature overlapping of the cementing holes (b) and, as a whole, to the failure of the device. At the last stage of cementing, the cuffs (corrugations) of the cementing plug 20 can be turned in the opposite direction from the action of the pressure drop (the practice of cementing using this design of cementing plugs shows that the corrugations are turned out under the influence of a slight pressure drop). This can lead to the fact that the shut-off valve does not work and does not block the cementing holes in the housing.

Еще одним недостатком известного устройства является невозможность его использования в скважинах с большими углами наклона и горизонтальных скважинах, поскольку открытие цементировочных отверстий в известном устройстве производится путем сбрасывания \падающей\ пробки (\бомбы\), которая при углах наклона ствола скважины более 25-30° не садится на седло муфты, заливочные отверстия не открываются и устройство не срабатывает.Another disadvantage of the known device is the impossibility of its use in wells with large angles of inclination and horizontal wells, since the opening of cementing holes in the known device is performed by dropping \ falling \ plug (\ bomb \), which at angles of inclination of the wellbore more than 25-30 ° It doesn’t sit on the coupling saddle, the filling holes do not open and the device does not work.

Таким образом, появилась проблема сконструировать такое устройство, которое при своей простоте и надежности обеспечивало бы цементирование как вертикальных, так и наклонных и горизонтальных скважин.Thus, the problem arose of constructing such a device that, with its simplicity and reliability, would provide cementing for both vertical, and deviated and horizontal wells.

Указанную проблему решает предлагаемое устройство для ступенчатого цементирования скважин, включающее корпус и кожух с цементировочными и технологическими отверстиями, основную втулку с посадочным седлом, дифференциальную втулку с элементами фиксации, установленную с возможностью осевого перемещения между кожухом и корпусом, цементировочные пробки, верхний и нижний переходники, которое, согласно изобретению снабжено дополнительной втулкой, размещенной внутри нижнего переходника с посадочным седлом меньшего диаметра, чем диаметр посадочного седла основной втулки, размещенной между цементировочными отверстиями корпуса и кожуха, частично или полностью перекрывающими друг друга, и технологическими отверстиями корпуса, сообщающими внутритрубное пространство с кольцевой полостью, образованной сопрягаемыми внутренней поверхностью дифференциальной втулки и наружной поверхностью корпуса, при этом дифференциальная втулка верхним торцом связана с упругим элементом, а кольцевая полость герметизирована уплотнительными кольцами от действия наружного давления.This problem is solved by the proposed device for stepwise cementing of wells, including a housing and a casing with cementing and technological holes, a main sleeve with a seating saddle, a differential sleeve with fixation elements mounted with the possibility of axial movement between the casing and the housing, cementing plugs, upper and lower adapters, which, according to the invention, is equipped with an additional sleeve located inside the lower adapter with a seat saddle of a smaller diameter than the diameter p sedimentary saddle of the main sleeve, located between the cementing holes of the housing and the casing, partially or completely overlapping each other, and the technological holes of the housing, communicating the in-tube space with an annular cavity formed by the mating inner surface of the differential sleeve and the outer surface of the housing, while the differential sleeve is connected with the upper end face with an elastic element, and the annular cavity is sealed with sealing rings against external pressure.

Целесообразно упругий элемент выполнить в виде пружины, связанной другим концом с верхним переходником.It is advisable that the elastic element is made in the form of a spring connected at the other end to the upper adapter.

Наличие двух втулок, работающих с цементировочными пробками под давлением, позволяет проводить двухступенчатое цементирование наклонных и горизонтальных скважин.The presence of two bushings, working with cementing plugs under pressure, allows for two-stage cementing of deviated and horizontal wells.

Образование кольцевой полости сопрягаемыми внутренней поверхностью дифференциальной втулки и наружной поверхностью корпуса позволяет упростить конструкцию устройства, снизить металлоемкость при изготовлении.The formation of an annular cavity by the mating inner surface of the differential sleeve and the outer surface of the housing makes it possible to simplify the design of the device and reduce the metal consumption during manufacture.

Сравнение с прототипом показало наличие новых элементов конструкции и их связей, что свидетельствует о \новизне\ изобретения.Comparison with the prototype showed the presence of new structural elements and their connections, which indicates the \ novelty \ of the invention.

Поиск по отличительным признакам выявил а.с. СССР № 1569401, (МПК 5 Е 21 В 33/14, от 07.06.90) муфту для ступенчатого цементирования обсадных колонн, содержащую корпус с цементировочными отверстиями, внутри которого размещены с возможностью осевого перемещения верхняя, нижняя и посадочная втулки, причем посадочная втулка установлена внутри нижней втулки и также имеет цементировочные отверстия. Назначение перемещаемых втулок известного устройства - открытие и закрытие цементировочных отверстий при взаимодействии их либо с падающей \бомбой\ либо с разделительной пробкой. Причем известное устройство работает (как и прототип) только в вертикальных скважинах.A search for distinctive features revealed A. with. USSR No. 1569401, (IPC 5 E 21 B 33/14, dated 07.06.90) a sleeve for stepwise cementing of casing strings, comprising a casing with cementing holes, inside of which the upper, lower and fit bushings are axially movable, with the fit bush installed inside the lower sleeve and also has cementing holes. The purpose of the movable bushings of the known device is the opening and closing of cementing holes when they interact with either a falling \ bomb \ or with a separation plug. Moreover, the known device works (like the prototype) only in vertical wells.

Втулки - основная и дополнительная - предлагаемого устройства жестко закреплены в корпусе и выполняют иную функцию - создание давления внутри обсадной колонны при взаимодействии с цементировочными пробками, например, для приведения в действие дифференциальной втулки на ее закрытие, что в совокупности с другими признаками изобретения позволяет достигнуть нового технического результата - цементирование наклонных и горизонтальных скважин.The bushings - the main and additional - of the proposed device are rigidly fixed in the housing and perform a different function - creating pressure inside the casing when interacting with cementing plugs, for example, to actuate the differential sleeve to close it, which, together with other features of the invention, allows to achieve a new technical result - cementing deviated and horizontal wells.

Таким образом можно сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию \изобретательский уровень\.Thus, we can conclude that the proposed invention meets the criterion of \ inventive step \.

На фиг.1 изображено устройство в транспортном положении, общий вид; на фиг.2 - то же, в момент посадки промежуточной цементировочной пробки в дополнительную втулку и начала цементирования скважины; на фиг.3 - то же, в момент окончания цементирования и закрытия цементировочных отверстий, продольный разрез.Figure 1 shows the device in a transport position, General view; figure 2 is the same, at the time of landing of the intermediate cementing plugs in the additional sleeve and the beginning of cementing of the well; figure 3 is the same, at the time of completion of cementing and closing of the cementing holes, a longitudinal section.

Предлагаемое устройство состоит из корпуса 1 с концевыми переходниками 2 и 3. Снаружи вдоль корпуса размещен кожух 4, а в полости между корпусом 1 и кожухом 4 установлена дифференциальная втулка 5, подпружиненная пружиной 6 к переходнику 3 и зафиксированная к корпусу срезными штифтами 7. В нижней части корпуса и кожуха в одной плоскости и соостно расположены цементировочные отверстия 8 и 9. В верхней части кожуха выше дифференциальной втулки расположены перепускные технологические отверстия 10, а выше цементировочных отверстий 8 корпуса 1 расположены технологические отверстия привода 11 дифференциальной втулки 5. Между цементировочными отверстиями 8, 9 и технологическими отверстиями 11 привода дифференциальной втулки корпуса расположена основная втулка 12, жестко закрепленная к корпусу, а в нижнем переходнике 2 расположена и жестко закреплена к нему дополнительная втулка 13, имеющая посадочное седло меньшего диаметра, чем посадочное седло основной втулки 12. Устройство снабжено промежуточной цементировочной пробкой 14 и запорной цементировочной пробкой 15.The proposed device consists of a housing 1 with end adapters 2 and 3. Outside along the housing there is a casing 4, and in the cavity between the housing 1 and the casing 4 there is a differential sleeve 5, spring loaded 6 to the adapter 3 and fixed to the housing with shear pins 7. In the bottom part of the housing and the casing in the same plane and co-located cementing holes 8 and 9. In the upper part of the casing above the differential sleeve there are bypass technological holes 10, and above the cementing holes 8 of the housing 1 is located the technological holes of the drive 11 of the differential sleeve 5 are made. Between the cementing holes 8, 9 and the technological holes 11 of the drive of the differential sleeve of the housing is located the main sleeve 12, rigidly fixed to the body, and in the lower adapter 2 is located and rigidly fixed to it an additional sleeve 13 having a seat a saddle of a smaller diameter than the seat saddle of the main sleeve 12. The device is equipped with an intermediate cementing plug 14 and a locking cementing plug 15.

Устройство работает следующим образом. После спуска обсадной колонны вместе с предлагаемым устройством в скважину производят цементирование первой ступени, т.е. цементный раствор продавливают с помощью цементировочной пробки (на фиг. не показано) в затрубное пространство до верхней части устройства. После посадки цементировочной пробки первой ступени на кольцо \стоп\ внутри обсадной колонны (на фиг. не показано) создают избыточное давление 12,0-13,0 МПа, которое через технологические отверстия 11 привода дифференциальной втулки 5 передается на часть площади сечения дифференциальной втулки 5. Под действием данного усилия срезаются штифты 7 и дифференциальная втулка 5 перемещается вверх, при этом открываются цементировочные отверстия 8 и 9. Производится промывка ствола скважины в течение 1-1,5 цикла. Далее в скважину спускается промежуточная цементировочная пробка 14, которая, дойдя до дополнительной втулки 13, останавливается и фиксируется в ней, перекрывая тем самым внутритрубное пространство под устройством. После некоторого времени ожидания затвердевания цемента (ОЗЦ) производится закачивание и продавливание цементного раствора второй ступени запорной цементировочной пробкой 15. При достижении пробкой 15 основной втулки 12 происходит получение сигнала \стоп\ об окончании процесса цементирования второй ступени, при этом пробка 15 жестко заякоривается во втулке 12. Затем давление внутри колонны сбрасывают. При этом дифференциальная втулка 5 под действием собственного веса, усилия пружины 6 и разности давления в затрубном и трубном пространстве перемещается вниз, перекрывая при этом цементировочные отверстия 8 и 9 корпуса 1 и кожуха 4.The device operates as follows. After the casing is lowered, the first stage is cemented together with the proposed device into the well, i.e. cement mortar is pressed through a cement plug (not shown in FIG.) into the annulus to the top of the device. After the cementing plug of the first stage is planted on the ring \ stop \ inside the casing (not shown in Fig.), An excess pressure of 12.0-13.0 MPa is created, which is transmitted through the technological holes 11 of the drive of the differential sleeve 5 to part of the cross-sectional area of the differential sleeve 5 Under the action of this force, the pins 7 are cut off and the differential sleeve 5 moves upward, while the cementing holes 8 and 9 open. The wellbore is flushed for 1-1.5 cycles. Next, an intermediate cementing plug 14 is lowered into the well, which, having reached the additional sleeve 13, stops and is fixed in it, thereby blocking the in-tube space under the device. After some waiting time for cement hardening (OZC), the cement mortar of the second stage is pumped and pressed through with a locking cement plug 15. When the plug 15 reaches the main sleeve 12, a signal is received \ stop \ to finish the cementing process of the second stage, while the plug 15 is rigidly anchored in the sleeve 12. Then the pressure inside the column is vented. In this case, the differential sleeve 5 under the action of its own weight, the force of the spring 6 and the pressure difference in the annulus and tube space moves down, blocking the cementing holes 8 and 9 of the housing 1 and the casing 4.

По окончании ОЗЦ цементировочные пробки и втулки 12 и 13 разбуриваются, восстанавливается номинальный диаметр в интервале установки устройства, равный внутреннему диаметру обсадной колонны.At the end of the WLC, cementing plugs and sleeves 12 and 13 are drilled, the nominal diameter in the installation interval of the device is restored, equal to the inner diameter of the casing.

Предлагаемое устройство универсально и успешно применяется как в вертикальных, так и в наклонных и горизонтальных скважинах. Простота конструкции обеспечивает надежность его работы, а также уменьшение металлоемкости при его изготовлении.The proposed device is universally and successfully used in both vertical and deviated and horizontal wells. The simplicity of the design ensures the reliability of its work, as well as the reduction of metal consumption in its manufacture.

Claims

1. A device for stepwise cementing of wells, including a housing and a casing with cementing and technological holes, a main sleeve with a seating saddle, a differential sleeve with fixation elements mounted with the possibility of axial movement between the casing and the housing, cementing plugs, upper and lower adapters, characterized in that it is equipped with an additional sleeve located inside the lower adapter with a seat saddle of a smaller diameter than the diameter of the seat saddle of the main sleeve between the cementing holes of the housing and the casing, partially or completely overlapping each other, and the technological holes of the housing communicating the in-tube space with an annular cavity formed by the mating inner surface of the differential sleeve and the outer surface of the housing, while the differential sleeve is connected with the elastic element by the upper end, and the annular cavity is sealed with sealing rings against external pressure.

2. The device according to claim 1, characterized in that the elastic element is made in the form of a spring connected at the other end to the upper adapter.