RU2432447C1

RU2432447C1 - Hydro-mechanical centraliser

Info

Publication number: RU2432447C1
Application number: RU2010111048/03A
Authority: RU
Inventors: Олег Леонидович Витязев (RU); Олег Леонидович Витязев; Андрей Васильевич Секисов (RU); Андрей Васильевич Секисов; Булат Юсупович Хайруллин (RU); Булат Юсупович Хайруллин; Вячеслав Владимирович Хомутовский (RU); Вячеслав Владимирович Хомутовский
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "СибБурМаш"
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-10-27
Also published as: RU2010111048A

Abstract

FIELD: oil and gas production.

SUBSTANCE: centraliser consists of case with through radial channel, of centring elements end of which are connected with case, of unit for transfer of centring elements located on external surface of case and hydraulically connected with cavity of case by means of radial channel, of holder of initial position in form of shear pin and of unit of arresting centring elements in working position. The centring elements are made in form of straps of flexible deformed material; they are connected with the case by fixation of their ends in bushes set on the case; the centring elements rotate and travel lengthwise. The unit of transfer is made in form of a movable differential bushing with two borings interacting with grooves on an upper sub and the case. Hydraulic connection of the transfer unit with radial channel of the case is facilitated with a cavity between borings of the differential bushing. The unit arresting centring elements in working position is made in form of a split ring made of flexible deformed material and set in a groove made in the cavity of the differential bush. Circular grooves interacting with response circular lugs on external cylinder surface of the case are made on internal cylinder surface of the split ring along generatrix. Shape of grooves and lugs allows reverse travel of the split ring along the case at a value not exceeding a step of circular rings and lugs setting at travel of the centring elements into a working position. Value of a radial gap between internal surface of the groove made in the cavity of the differential bushing and external surface of the split ring in an initial position exceeds height of the circular lugs.

EFFECT: raised reliability of centraliser operation and expansion of its operational functionality.

2 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при цементировании обсадных колонн в процессе строительства скважин.The invention relates to the mining industry and can be used for cementing casing strings during the construction of wells.

Известен пружинный центратор ([1] Булатов А.И. и др. Спутник буровика. Справ. пособие. В 2-х кн. - М.: Недра-Бизнесцентр, 2006. Кн.2, с.229-231, рис.16.25), содержащийThe well-known spring centralizer ([1] Bulatov A.I. et al. Driller's companion. Handbook. In 2 books. - M .: Nedra-Biznesentr, 2006. Book 2, p.229-231, fig. 16.25) containing

- установленные на обсадной трубе с возможностью продольного перемещения две подвижные сегментные петли,- mounted on the casing with the possibility of longitudinal movement of two movable segmented loops,

- в которых закреплены рессоры в виде упругодеформируемых планок выпуклостью наружу,- in which springs are fixed in the form of elastically deformable planks with a bulge outward,

- и стопорное кольцо, неподвижно закрепленное на обсадной трубе между сегментными петлями.- and a retaining ring fixedly mounted on the casing between the segmented loops.

У известного центратора в исходном положении на поверхности диаметр описанной окружности вокруг рессор должен быть заведомо больше диаметра скважины. Это обусловлено тем, что рессоры при заходе в ствол скважины должны быть сжаты стенками с усилием, способным противостоять воздействию радиальных нагрузок от веса обсадной колонны, особенно на наклонных и горизонтальных участках скважины, в противном случае не будет происходить центрирование обсадной колонны. Поэтому в процессе спуска обсадной колонны ввиду постоянного контакта рессор со стенками скважины, причем с достаточно большим усилием, происходит абразивный износ рессор, что может вызвать их последующий излом и невозможность выполнения известным центратором своего функционального назначения. Это обстоятельство снижает надежность работы известного центратора.The well-known centralizer in the initial position on the surface, the diameter of the circumscribed circle around the springs should be known to be larger than the diameter of the well. This is due to the fact that the springs when entering the wellbore must be compressed by walls with a force that can withstand the effects of radial loads from the weight of the casing, especially on inclined and horizontal sections of the well, otherwise the casing will not be centered. Therefore, in the process of lowering the casing, due to the constant contact of the springs with the walls of the well, and with a sufficiently high force, the abrasive wear of the springs occurs, which can cause their subsequent fracture and the inability of the well-known centralizer to perform its functional purpose. This circumstance reduces the reliability of the known centralizer.

Кроме того, известный центратор позволяет центрировать обсадную трубу в ограниченном интервале изменения диаметра скважины, максимум которого определяется требуемой жесткостью и степенью выпуклости рессоры в исходном положении при установке центратора на обсадную трубу. Поэтому, если в интервале установки центратора в скважине будет находиться каверна, диаметр которой больше этого максимума, известный центратор не сможет обеспечить равномерный зазор между обсадной трубой и стенками скважины, что снизит качество цементирования. Таким образом, известный центратор обладает ограниченными эксплуатационными возможностями.In addition, the well-known centralizer allows you to center the casing in a limited range of changes in the diameter of the borehole, the maximum of which is determined by the required stiffness and degree of convexity of the spring in the initial position when installing the centralizer on the casing. Therefore, if in the interval of installation of the centralizer in the well there will be a cavity with a diameter larger than this maximum, the known centralizer will not be able to provide an even gap between the casing and the walls of the well, which will reduce the quality of cementing. Thus, the well-known centralizer has limited operational capabilities.

Известен центратор гидромеханический ([2] патент РФ №2275489, E21B 17/10, 33/13, опубликовано 27.04.2006), включающийThe well-known hydromechanical centralizer ([2] RF patent No. 2275489, E21B 17/10, 33/13, published April 27, 2006), including

- ствол и связанный со стволом цилиндр, в полости которого установлены три втулки в виде полувтулок, связанных между собой попарно шпонками, золотниковая втулка, установленная в полости цилиндра выше полувтулок, и поршень, выполненный в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой, и фиксируемый относительно цилиндра срезным штифтом,- a barrel and a cylinder connected to the barrel, in the cavity of which there are three bushings in the form of half-bushings, interconnected in pairs with dowels, a spool sleeve mounted in the cylinder cavity above the half-bushes, and a piston made in the form of a half-piston, rigidly fixed to each other, and fixed relative to cylinder shear pin,

- центрирующие рычаги, нижними концами шарнирно связанные со стволом,- centering levers, lower ends pivotally connected to the barrel,

- замковые устройства, выполненные в виде T-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с T-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами;- locking devices made in the form of T-grooves on the bottom of the working piston, interacting with T-shaped pins, rigidly fastened to the centering levers;

- причем наружная поверхность нижней части поршня выполнена в виде конуса для взаимодействия с конической поверхностью центрирующих рычагов, выполненной на их верхней части,- moreover, the outer surface of the lower part of the piston is made in the form of a cone for interaction with the conical surface of the centering levers made on their upper part,

- а в стволе выполнено радиальное отверстие с резьбой, соединяющее полости цилиндра и ствола, в которое ввинчена разрушаемая пробка.- and in the barrel there is a radial hole with a thread connecting the cavity of the cylinder and the barrel into which the destructible plug is screwed.

Недостатком известного центратора является низкая надежность работы, связанная с отсутствием фиксации центрирующих рычагов в рабочем положении после снижения избыточного давления во внутренней полости обсадной колонны, что может повлечь за собой невозможность выполнения известным центратором своего функционального назначения. Кроме того, известный центратор обладает ограниченными эксплуатационными возможностями, т.к. для его работы необходим перепад давления, обеспечиваемый разностью плотностей внутриколонной и заколонной жидкости, что не всегда возможно, например, при использовании облегченных цементных растворов в разрезах скважин, обладающих низким градиентом гидроразрыва.A disadvantage of the known centralizer is the low reliability associated with the lack of fixing of the centering levers in the working position after reducing the excess pressure in the inner cavity of the casing, which may entail the inability of the known centralizer to perform its functional purpose. In addition, the well-known centralizer has limited operational capabilities, as for its operation, a pressure differential is required, which is ensured by the density difference between the annular and annular fluids, which is not always possible, for example, when using lightweight cement mortars in well sections with a low hydraulic fracturing gradient.

Известен центратор обсадной колонны (патент РФ №2282705, E21B 17/10, опубликовано 27.08.2006), включающийKnown casing centralizer (RF patent No. 2282705, E21B 17/10, published on 08.27.2006), including

- расположенный на наружной поверхности обсадной колонны рабочий цилиндр, верхний конец которого жестко связан с обсадной колонной,- a working cylinder located on the outer surface of the casing, the upper end of which is rigidly connected to the casing,

- размещенный внутри рабочего цилиндра кольцевой поршень- an annular piston located inside the working cylinder

- и разрушаемые пробки, установленные с внутренней стороны в радиальных каналах обсадной колонны;- and destructible plugs installed on the inside in the radial channels of the casing;

- основные центрирующие элементы в виде рычагов, поперечное сечение которых представляет собой сектор трубной заготовки, шарнирно связанных одним концом с обсадной колонной и имеющих возможность радиального отклонения относительно нее;- the main centering elements in the form of levers, the cross section of which is a sector of the tubular workpiece, pivotally connected at one end to the casing and having the possibility of radial deviation relative to it;

- дополнительные центрирующие элементы, одним концом шарнирно связанные с нижним концом кольцевого поршня, а другим концом шарнирно соединенные со свободными концами основных центрирующих элементов,- additional centering elements, one end pivotally connected to the lower end of the annular piston, and the other end pivotally connected to the free ends of the main centering elements,

- причем угол α между осью основных центрирующих элементов с осью обсадной колонны в рабочем положении составляет величину более 90°.- moreover, the angle α between the axis of the main centering elements with the axis of the casing in the working position is more than 90 °.

В известном центраторе фиксация центрирующих элементов в рабочем положении осуществляется благодаря тому, что угол α между осью каждого из основных центрирующих элементов с осью обсадной колонны составляет величину больше 90°. Для этого основной элемент должен под воздействием дополнительного элемента повернуться из исходного положения, при котором угол α между осями элемента и обсадной колонны должен быть более 0°, a sin α>0, в рабочее положение на угол α>90° по отношению к оси обсадной колонны, при котором sin α<1. При этом в процессе поворота основной центрирующий элемент будет проходить положение, когда угол между его осью и осью обсадной колонны будет составлять 90°, a sin α=1. Таким образом, величина вылета основного центрирующего элемента, т.е. расстояние от стенки обсадной колонны до его крайней точки, контактирующей со стенкой скважины, изменяется пропорционально синусу α. В положении, когда угол α=90°, a sin α=1, вылет основного центрирующего элемента будет максимальным, а затем это расстояние по мере дальнейшего поворота элемента в рабочее положение на угол α>90° будет уменьшаться, поскольку при этом sin α<1.In the known centralizer, the fixing of the centering elements in the working position is due to the fact that the angle α between the axis of each of the main centering elements with the axis of the casing is greater than 90 °. For this, the main element must, under the influence of the additional element, turn from the initial position at which the angle α between the axes of the element and the casing must be more than 0 °, and sin α> 0, in the working position at an angle α> 90 ° relative to the casing axis columns for which sin α <1. In this case, during rotation, the main centering element will pass the position when the angle between its axis and the axis of the casing will be 90 °, a sin α = 1. Thus, the magnitude of the departure of the main centering element, i.e. the distance from the wall of the casing to its extreme point in contact with the wall of the well varies in proportion to the sine α. In the position where the angle α = 90 °, a sin α = 1, the departure of the main centering element will be maximum, and then this distance will decrease as the element further rotates to the working position by an angle α> 90 °, since sin α < one.

В связи с этим возможна ситуация, когда элемент не сможет полностью повернуться в рабочее положение на угол α>90°. Это может произойти в случае, если при приближении к углу α=90° поверхность элемента уже начнет контактировать со стенкой скважины, диаметр ствола которой, например, сужен ввиду воздействия горного давления, а разрез в интервале установки центратора представлен прочными, хорошо сцементированными и твердыми породами, имеющими значительную величину предела прочности на сжатие. Если усилия на кольцевом поршне от давления насоса будет недостаточно для внедрения элемента в стенку скважины при угле α=90° и дальнейшего его поворота в рабочее положение, при котором угол α>90°, то элемент остановится в положении при угле α<90°, что не обеспечивает его фиксирование в рабочем положении. При этом центрирование обсадной колонны будет обеспечено, но только при наличии давления в ней. После снижения давления в обсадной колонне элементы могут быть возвращены в исходное положение от воздействия радиальных усилий, возникающих вследствие контакта обсадной колонны со стенками скважины на ее невертикальных участках, например в наклонно направленных или горизонтальных стволах, что влечет за собой невыполнение известным центратором своего функционального назначения.In this regard, a situation is possible when the element cannot fully rotate to the operating position by an angle α> 90 °. This can happen if, when approaching the angle α = 90 °, the surface of the element will already begin to come into contact with the borehole wall, the bore diameter of which, for example, is narrowed due to the influence of rock pressure, and the section in the interval of the centralizer installation is represented by strong, well cemented and hard rocks having a significant value of compressive strength. If the effort on the annular piston from the pump pressure is not enough to introduce the element into the borehole wall at an angle α = 90 ° and then turn it into the working position at which the angle α> 90 °, then the element will stop in the position at an angle α <90 °, which does not ensure its fixation in the working position. The centering of the casing will be provided, but only if there is pressure in it. After reducing the pressure in the casing, the elements can be returned to their original position from the influence of radial forces arising from the contact of the casing with the walls of the borehole in its non-vertical sections, for example, in inclined or horizontal shafts, which entails the failure of the well-known centralizer to perform its functional purpose.

В случае, если в разрезе скважины в интервале установки известного центратора находится каверна с поперечными размерами больше диаметра ствола скважины, то элемент сможет в процессе поворота беспрепятственно пройти точку максимального вылета при угле α=90° и повернуться в рабочее положение на угол α>90°. Однако при этом элемент будет отдаляться от стенки каверны, и между поверхностью последней и его поверхностью возникнет зазор, в результате чего обсадная колонна не будет отцентрирована, что также влечет за собой невыполнение известным центратором своего функционального назначения.If in the section of the well in the interval of installation of the known centralizer there is a cavity with transverse dimensions greater than the diameter of the well bore, then the element will be able to freely pass the maximum reach point at an angle α = 90 ° and rotate into the working position at an angle α> 90 ° . However, in this case, the element will move away from the wall of the cavity, and a gap will arise between the surface of the cavity and its surface, as a result of which the casing will not be centered, which also entails the failure of the well-known centralizer to fulfill its functional purpose.

Аналогичные последствия возможны и при установке известного центратора в интервале, где разрез скважины представлен пластичными, слабосцементированными породами, а ее ствол имеет номинальный диаметр, что обеспечит поворот элементов в рабочее положение. Однако при этом между стенкой скважины и поверхностью элемента также образуется зазор, в результате чего обсадная колонна не будет отцентрирована.Similar consequences are possible when installing the well-known centralizer in the interval where the well section is represented by plastic, weakly cemented rocks, and its bore has a nominal diameter, which will ensure that the elements rotate to the working position. However, a gap is also formed between the wall of the well and the surface of the element, as a result of which the casing will not be centered.

Кроме того, возможна ситуация, когда при значительных радиальных нагрузках на центратор от веса обсадной колонны, например на наклонных или горизонтальных участках скважины, поверхность элемента будет внедряться в мягкие породы, слагающие разрез скважины в интервале установки центратора. Это обусловлено тем, что шарнирно соединенные поверхности основного и дополнительного центрирующих элементов имеют практически линейный контакт при начальном взаимодействии со стенкой скважины. Возникающие при этом местные контактные напряжения от воздействия значительного веса обсадной колонны могут превысить предел текучести мягких пластичных пород, в результате чего произойдет внедрение центрирующих элементов в стенку скважины и одностороннее смещение обсадной колонны в стволе скважины, что влечет за собой невыполнение известным центратором своего функционального назначения.In addition, a situation is possible when, with significant radial loads on the centralizer from the weight of the casing, for example, on inclined or horizontal sections of the well, the surface of the element will be embedded in soft rock that composes the section of the well in the interval of installation of the centralizer. This is due to the fact that the pivotally connected surfaces of the main and additional centering elements have almost linear contact during initial interaction with the well wall. The resulting local contact stresses due to the significant weight of the casing string may exceed the yield strength of soft ductile rocks, as a result of which centering elements will be introduced into the borehole wall and the casing will unilaterally shift in the borehole, which entails the failure of the well-known centralizer to perform its functional purpose.

Перечисленные обстоятельства снижают надежность работы известного центратора обсадной колонны.These circumstances reduce the reliability of the well-known centralizer casing.

Фиксирование основных центрирующих элементов известного центратора в рабочем положении обеспечивается только от воздействия радиальных усилий, направленных на элемент в поперечном направлении относительно оси обсадной колонны, но не от осевого усилия, направленного снизу вверх. Последнее может возникнуть в случае, если после спуска обсадной колонны центратор разместится в интервале скважины с каверной. И если после срабатывания центратора необходимо сместить обсадную колонну вниз, то на участке перехода от каверны к нормальному диаметру ствола скважины при контакте элемента со стенкой скважины будет возникать усилие, поворачивающее элемент из рабочего положения с углом α>90° в положение с углом α=90° и далее в положение с углом α<90°, при котором основные центрирующие элементы уже не фиксируются и могут вернуться в исходное положение от воздействия радиальных усилий, что влечет за собой невыполнение известным центратором своего функционального назначения. Поэтому невозможность перемещения обсадной колонны в продольном направлении после установки основных центрирующих элементов в рабочее положение ограничивает эксплуатационные возможности известного центратора.The fixing of the main centering elements of the known centralizer in the working position is ensured only from the influence of radial forces directed to the element in the transverse direction relative to the axis of the casing, but not from the axial force directed from the bottom up. The latter can occur if, after lowering the casing string, the centralizer is placed in the interval of the well with the cavern. And if after the centralizer is triggered, it is necessary to shift the casing down, then at the transition from the cavity to the normal diameter of the wellbore, when the element contacts the well wall, a force will appear, turning the element from the working position with an angle α> 90 ° to a position with an angle α = 90 ° and further to a position with an angle α <90 °, at which the main centering elements are no longer fixed and can return to their original position from the action of radial forces, which entails the failure of the well-known centralizer to perform ceiling elements destination. Therefore, the inability to move the casing in the longitudinal direction after installing the main centering elements in the working position limits the operational capabilities of the known centralizer.

Качество процесса цементирования повышается, если при этом осуществляются расхаживание, т.е. продольное перемещение, и вращение обсадной колонны. Кроме того, эти операции служат для предотвращения ее прихвата. Однако по причинам, изложенным выше, расхаживание обсадной колонны, оснащенной известным центратором, невозможно. Аналогично, невозможно и вращение обсадной колонны, так как центрирующие элементы известного центратора, будучи жестко соединенными шарнирами с нижним переводником, тоже будут вращаться вместе с обсадной колонной, создавая сопротивление ее вращению, поскольку контактируют со стенкой скважины.The quality of the cementing process is improved if pacing is carried out, i.e. longitudinal movement, and rotation of the casing. In addition, these operations serve to prevent its sticking. However, for the reasons stated above, walking the casing equipped with a well-known centralizer is not possible. Similarly, rotation of the casing is also impossible, since the centering elements of the known centralizer, being rigidly connected by hinges to the lower sub, will also rotate together with the casing, creating resistance to its rotation, since they are in contact with the borehole wall.

Задачей изобретения является создание центратора обсадной колонны, лишенного перечисленных недостатков.The objective of the invention is to provide a centralizer casing devoid of the above disadvantages.

Техническим результатом решения этой задачи является повышение надежности работы центратора обсадной колонны и расширение его эксплуатационных возможностей.The technical result of solving this problem is to increase the reliability of the casing centralizer and expand its operational capabilities.

Для достижения этого результата в известном центраторе обсадной колонны, содержащемTo achieve this result in a well-known casing centralizer containing

- корпус в виде отрезка обсадной трубы с присоединенными нижним и верхним переводниками и сквозным радиальным каналом, выполненным в стенке трубы,- a casing in the form of a piece of casing with attached lower and upper sub and a through radial channel made in the pipe wall,

- равномерно расположенные вдоль образующих на наружной цилиндрической поверхности корпуса центрирующие элементы, концы которых связаны с корпусом,- centering elements evenly spaced along the generatrices on the outer cylindrical surface of the housing, the ends of which are connected to the housing,

- расположенный на наружной цилиндрической поверхности корпуса узел перемещения центрирующих элементов в рабочее положение, гидравлически связанный с полостью корпуса радиальным каналом и содержащий фиксатор исходного положения в виде срезного штифта, соединенного с корпусом,- located on the outer cylindrical surface of the housing unit for moving the centering elements to the working position, hydraulically connected to the cavity of the housing by a radial channel and containing the clamp of the initial position in the form of a shear pin connected to the housing,

- расположенный на наружной цилиндрической поверхности корпуса узел фиксации центрирующих элементов в рабочем положении,- located on the outer cylindrical surface of the housing unit for fixing the centering elements in the working position,

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮACCORDING TO THE INVENTION

- центрирующие элементы выполнены в виде планок из упругодеформируемого материала выпуклостью наружу, диаметр описанной окружности вокруг которых в исходном положении не превышает наружного диаметра переводников, а их связь с корпусом осуществляется путем закрепления концов во втулках, установленных на корпусе с возможностью вращения и продольного перемещения, нижняя из которых расположена над нижним переводником, а верхняя расположена под узлом перемещения центрирующих элементов в рабочее положение,- the centering elements are made in the form of strips of elastically deformable material with a bulge outward, the diameter of the circumscribed circle around which in the initial position does not exceed the outer diameter of the sub, and their connection with the housing is carried out by fixing the ends in the bushings mounted on the housing with the possibility of rotation and longitudinal movement, lower of which is located above the lower sub, and the upper is located under the node for moving the centering elements to the working position,

- который выполнен в виде подвижной дифференциальной втулки с наружным диаметром, не превышающим наружного диаметра переводников, и двумя расточками, верхняя из которых с диаметром D₁ взаимодействует с проточкой на верхнем переводнике, а нижняя расточка с диаметром D₂ взаимодействует с проточкой на корпусе,- which is made in the form of a movable differential sleeve with an outer diameter not exceeding the outer diameter of the sub, and two bores, the upper of which with a diameter of D ₁ interacts with a groove on the upper sub, and the lower bore with a diameter of D ₂ interacts with a groove on the body,

- причем гидравлическая связь узла перемещения с радиальным каналом корпуса осуществляется полостью, расположенной между расточками дифференциальной втулки,- moreover, the hydraulic connection of the displacement unit with the radial channel of the housing is carried out by a cavity located between the bores of the differential sleeve,

- а диаметр D₁ больше диаметра D₂,- and the diameter D _{1 is} larger than the diameter D ₂ ,

- узел фиксации центрирующих элементов в рабочем положении выполнен в виде разрезного кольца, выполненного из упругодеформируемого материала и установленного в канавке, выполненной в полости дифференциальной втулки,- the unit for fixing the centering elements in the working position is made in the form of a split ring made of elastically deformable material and installed in a groove made in the cavity of the differential sleeve,

- на внутренней цилиндрической поверхности разрезного кольца вдоль образующей выполнены кольцевые канавки, взаимодействующие с ответными кольцевыми выступами, выполненными на наружной цилиндрической поверхности корпуса с шагом, равным шагу размещения канавок разрезного кольца,- on the inner cylindrical surface of the split ring along the generatrix, annular grooves are made, interacting with mating annular protrusions made on the outer cylindrical surface of the housing with a step equal to the pitch of the grooves of the split ring,

- причем форма канавок и выступов допускает возможность обратного перемещения разрезного кольца по корпусу на величину не более шага расположения кольцевых канавок и выступов при перемещении центрирующих элементов в рабочее положение,- moreover, the shape of the grooves and protrusions allows for the possibility of reverse movement of the split ring over the housing by an amount not more than the spacing of the annular grooves and protrusions when moving the centering elements to the working position

- а величина радиального зазора h₁ между внутренней поверхностью канавки, выполненной в полости дифференциальной втулки, и наружной поверхностью разрезного кольца в исходном положении превышает высоту h₂ кольцевых выступов.- and the value of the radial clearance h ₁ between the inner surface of the groove made in the cavity of the differential sleeve and the outer surface of the split ring in the initial position exceeds the height h _{2 of the} annular protrusions.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен заявляемый центратор обсадной колонны в исходном положении, на фиг.2 - выносной элемент A на фиг.1 в увеличенном масштабе.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows the inventive casing centralizer in the initial position, in Fig.2 - remote element A in Fig.1 on an enlarged scale.

Заявляемый центратор обсадной колонны (фиг.1) содержит корпус 1 в виде отрезка обсадной трубы с нижним 2 и верхним 3 переводниками и сквозным радиальным каналом 4, выполненным в стенке трубы. На наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 равномерно расположены вдоль образующих центрирующие элементы 5, выполненные в виде планок из упругодеформируемого материала. Связь элементов 5 с корпусом 1 осуществляется посредством втулок - нижней 6 и верхней 7, установленных на наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 с возможностью вращения и продольного перемещения, и в пазах 8 и 9 которых размещены концы планок элементов 5. Нижняя втулка 6 своим нижним торцом контактирует с верхним торцом нижнего переводника 2. В исходном положении элементы 5 имеют выпуклость наружу, которая обеспечивается кольцом 10, установленным на корпусе 1 и равноудаленным от концов элементов 5, при этом диаметр описанной окружности вокруг элементов 5 в их исходном положении не превышает наружного диаметра переводников 2 и 3. Пазы 8 и 9 равномерно расположены вдоль образующих на внутренних цилиндрических поверхностях втулок 6 и 7, а их количество соответствует количеству центрирующих элементов 5.The inventive casing centralizer (figure 1) contains a housing 1 in the form of a segment of a casing with a lower 2 and upper 3 sub and a through radial channel 4 made in the pipe wall. On the outer cylindrical surface of the housing 1 are evenly spaced along the forming centering elements 5, made in the form of strips of elastically deformable material. The connection of the elements 5 with the housing 1 is carried out by means of bushings - lower 6 and upper 7 mounted on the outer cylindrical surface of the housing 1 with the possibility of rotation and longitudinal movement, and in the grooves 8 and 9 of which the ends of the bars of the elements 5 are placed. The lower sleeve 6 is in contact with its lower end with the upper end of the lower sub 2. In the initial position, the elements 5 have a bulge outward, which is provided by a ring 10 mounted on the housing 1 and equidistant from the ends of the elements 5, while the diameter of the circumference pyr elements 5 in their initial position does not exceed the outer diameter subs 2 and 3. The grooves 8 and 9 are arranged uniformly along the generatrices on the inner cylindrical surfaces of the sleeves 6 and 7, and their number corresponds to the number of centering elements 5.

Узел перемещения центрирующих элементов 5 в рабочее положение размещен над втулкой 7 и выполнен в виде установленной на корпусе 1 с возможностью перемещения дифференциальной втулки 11 с наружным диаметром, не превышающим наружного диаметра переводников 2 и 3. В дифференциальной втулке 11 выполнены верхняя расточка 12 с диаметром D₁, которая взаимодействует с проточкой 13 на верхнем переводнике 3, и нижняя расточка 14 с диаметром D₂, которая взаимодействует с проточкой 15 на корпусе 1, при этом диаметр D₁ больше диаметра D₂. Между расточками 12 и 14 во втулке 11 выполнена полость 16, герметичность которой от проникновения скважинной жидкости обеспечивается уплотнительными кольцами 17 и 18, а гидравлическая связь с полостью корпуса 1 осуществляется каналом 4. В исходном положении дифференциальная втулка 11 связана с верхним переводником 3 срезным штифтом 19 и контактирует своим нижним торцом с верхним торцом верхней втулки 7.The node for moving the centering elements 5 to the working position is located above the sleeve 7 and is made in the form of a differential sleeve 11 mounted on the housing 1 with the possibility of moving the differential sleeve 11 with an outer diameter not exceeding the outer diameter of the sub 2 and 3. The upper bore 12 with a diameter D is made in the differential sleeve 11 ₁ , which interacts with the groove 13 on the upper sub 3, and the lower bore 14 with a diameter D ₂ , which interacts with the groove 15 on the housing 1, while the diameter D _{1 is} larger than the diameter D ₂ . A cavity 16 is made between the bores 12 and 14 in the sleeve 11, the tightness of which from the penetration of the borehole fluid is ensured by the sealing rings 17 and 18, and the hydraulic connection with the cavity of the housing 1 is provided by the channel 4. In the initial position, the differential sleeve 11 is connected to the upper sub 3 by a shear pin 19 and is in contact with its lower end with the upper end of the upper sleeve 7.

Узел фиксации центрирующих элементов 5 в рабочем положении выполнен в виде кольца 20 с разрезом 21, выполненного из упругодеформируемого материала и установленного в канавке 22, выполненной в полости 16 дифференциальной втулки 11. На внутренней цилиндрической поверхности разрезного кольца 20 (фиг.2) с одинаковым шагом вдоль образующей выполнены кольцевые канавки 23, взаимодействующие с ответными кольцевыми выступами 24, выполненными на наружной цилиндрической поверхности корпуса 1 с шагом, равным шагу канавок 23 на разрезном кольце 20. Форма канавок 23 и выступов 24, например, в виде треугольника, одна из сторон которого перпендикулярна продольной оси корпуса 1, допускает возможность перемещения разрезного кольца 20 вверх на величину не более шага расположения кольцевых канавок 23 и выступов 24 при перемещении центрирующих элементов 5 в рабочее положение. При этом величина радиального зазора h₁ между внутренней поверхностью канавки 22 и наружной поверхностью разрезного кольца 20 в исходном положении превышает высоту h₂ кольцевых выступов 23 и 24.The fixation unit of the centering elements 5 in the working position is made in the form of a ring 20 with a slit 21 made of elastically deformable material and installed in a groove 22 made in the cavity 16 of the differential sleeve 11. On the inner cylindrical surface of the split ring 20 (figure 2) with the same pitch annular grooves 23 are made along the generatrix, interacting with mating annular protrusions 24 made on the outer cylindrical surface of the housing 1 with a step equal to the pitch of the grooves 23 on the split ring 20. The shape of the ditches ok 23 and protrusions 24, for example, in the form of a triangle, one of whose sides is perpendicular to the longitudinal axis of the housing 1, allows the split ring 20 to be moved upward by no more than the spacing of the annular grooves 23 and protrusions 24 when the centering elements 5 are moved to the working position. The value of the radial clearance h ₁ between the inner surface of the groove 22 and the outer surface of the split ring 20 in the initial position exceeds the height h _{2 of the} annular protrusions 23 and 24.

Заявляемый центратор обсадной колонны (фиг.1) работает следующим образом.The inventive Centralizer casing (figure 1) works as follows.

В составе компоновки обсадной колонны (не показана) заявляемый центратор или несколько центраторов, установленных между обсадными трубами, спускают в скважину. При этом в случае необходимости, например, для предотвращения прихвата обсадной колонны, может осуществляться ее проворот, чему не препятствуют центрирующие элементы 5, имеющие возможность свободного вращения относительно корпуса 1 и так как они не выступают за диаметральный габарит переводников 2 и 3. Это же обстоятельство предотвращает интенсивный абразивный износ центрирующих элементов 5 в процессе спуска о стенки скважины, что обеспечивает их дальнейшую работоспособность. Таким образом, выполнение центрирующих элементов 5 в виде пластин выпуклостью наружу, диаметр описанной окружности вокруг которых не превышает наружного диаметра переводников, расширяет эксплуатационные возможности и повышает надежность работы заявляемого центратора.In the composition of the casing string (not shown), the inventive centralizer or several centralizers installed between the casing pipes are lowered into the well. Moreover, if necessary, for example, to prevent sticking of the casing string, it can be rotated, which is not prevented by the centering elements 5, which can freely rotate relative to the housing 1 and since they do not protrude beyond the diametrical dimension of the sub 2 and 3. This is a circumstance prevents intensive abrasive wear of the centering elements 5 during the descent of the well walls, which ensures their further performance. Thus, the implementation of the centering elements 5 in the form of plates with a bulge outward, the diameter of the circumscribed circle around which does not exceed the outer diameter of the sub, expands the operational capabilities and increases the reliability of the inventive centralizer.

В процессе спуска при необходимости может также производиться промывка скважины, что не вызовет срабатывания центратора, так как в исходном положении дифференциальная втулка 11 неподвижно зафиксирована относительно корпуса 1 срезным штифтом 19.During the descent, if necessary, the well can also be flushed, which will not cause the centralizer to operate, since in the initial position the differential sleeve 11 is fixedly fixed relative to the housing 1 by a shear pin 19.

После спуска обсадной колонны в заданный интервал отделяют ее полость от затрубного пространства скважины, например, сбросом посыльного шара или пробки (не показаны), после посадки которых в седло (не показано), расположенное в нижней части обсадной колонны (не показана), включают на поверхности насос (не показан) для нагнетания жидкости в обсадную колонну. Ввиду невозможности истечения жидкости из обсадной колонны, чему способствует герметичность в контактах расточек 12 и 14 с проточками 13 и 15, обеспечиваемая уплотнительными кольцами 17 и 18, давление в полости обсадной колонны будет возрастать и передаваться через полость корпуса 1 и радиальный канал 4 в полость 16 дифференциальной втулки 11, на которую, ввиду разницы диаметров D₁ и D₂ расточек 12 и 14, будет воздействовать усилие, направленное вниз. При некоторой величине давления усилием от него будет срезан штифт 19, и дифференциальная втулка 11 вместе с втулкой 7 начнет перемещаться вниз, воздействуя на верхние концы центрирующих элементов 5, которые будут испытывать деформацию продольного изгиба, будучи связанными нижними концами с неподвижной втулкой 6, контактирующей с переводником 2, неподвижным относительно корпуса 1.After the casing is lowered to a predetermined interval, its cavity is separated from the annulus of the well, for example, by dropping a messenger ball or plug (not shown), after which they are inserted into a saddle (not shown) located in the lower part of the casing (not shown), surface pump (not shown) for pumping fluid into the casing. Due to the impossibility of fluid flow from the casing, which is facilitated by the tightness in the contacts of the bores 12 and 14 with the grooves 13 and 15, provided by the sealing rings 17 and 18, the pressure in the cavity of the casing will increase and be transmitted through the cavity of the casing 1 and the radial channel 4 to the cavity 16 differential sleeve 11, which, due to the difference in diameters D ₁ and D _{2 of the} bores 12 and 14, will be affected by a downward force. At a certain pressure value, the pin 19 will be cut off by force, and the differential sleeve 11 together with the sleeve 7 will begin to move downward, acting on the upper ends of the centering elements 5, which will experience longitudinal bending, being connected by the lower ends to the stationary sleeve 6 in contact with sub 2, stationary relative to the housing 1.

Благодаря выполнению элементов 5 из упругодеформируемого материала выпуклостью наружу, что в исходном положении заранее обеспечивается кольцом 10, элементы 5 будут упруго изгибаться до контакта со стенкой ствола скважины. При этом величина их деформации, а следовательно, и величина вылета, т.е. расстояния от наружной поверхности корпуса 1 до наружной поверхности элемента 5, контактирующей со стенкой скважины, может плавно изменяться в гораздо большем диапазоне по сравнению с диапазоном изменения величины вылета в пружинном центраторе (см. аналог [1]), где максимум этой величины определен заранее заданной при изготовлении рессор величиной их прогиба. Поэтому даже при установке заявляемого центратора в интервале кавернообразования скважины упругая деформация центрирующих элементов 5 в процессе перемещения дифференциальной втулки 11 вниз будет происходить до их контакта со стенкой каверны при малом осевом перемещении дифференциальной втулки, чем будет обеспечиваться гарантированное центрирование обсадной колонны. Таким образом, снабжение заявляемого центратора узлом перемещения центрирующих элементов 5 расширяет его эксплуатационные возможности. А так как в процессе спуска обсадной колонны, благодаря тому, что диаметр описанной окружности вокруг центрирующих элементов в их исходном положении не превышает наружного диаметра переводников, исключается абразивный износ центрирующих элементов о стенки скважины и предотвращается их возможная поломка, то, следовательно, повышается надежность работы заявляемого центратора по сравнению с пружинным центратором (см. аналог [1]).Due to the implementation of the elements 5 from the elastically deformable material, the bulge outward, which in the initial position is provided in advance by the ring 10, the elements 5 will be elastically bent until they contact the wall of the wellbore. Moreover, the magnitude of their deformation, and hence the magnitude of the departure, i.e. the distance from the outer surface of the housing 1 to the outer surface of the element 5 in contact with the wall of the well can smoothly change in a much wider range compared to the range of the magnitude of the take-off in the spring centralizer (see analogue [1]), where the maximum of this value is determined in advance in the manufacture of springs by the magnitude of their deflection. Therefore, even when the inventive centralizer is installed in the interval of well cavern formation, the elastic deformation of the centering elements 5 in the process of moving the differential sleeve 11 downward will occur until they come into contact with the cavity wall with a small axial movement of the differential sleeve, which will ensure guaranteed centering of the casing. Thus, the supply of the inventive centralizer node movement of the centering elements 5 expands its operational capabilities. And since during the descent of the casing, due to the fact that the diameter of the circumscribed circle around the centering elements in their initial position does not exceed the outer diameter of the sub, the abrasive wear of the centering elements on the borehole walls is eliminated and their possible breakdown is prevented, therefore, the operation reliability is increased of the inventive centralizer in comparison with a spring centralizer (see analogue [1]).

Выполнение центрирующих элементов 5 заявляемого центратора в виде планок из упругодеформируемого материала обеспечивает расширение его эксплуатационных возможностей и по сравнению с центратором обсадной колонны (см. прототип), где максимум вылета центрирующих элементов жестко определен линейными размерами шарнирно соединенных основного и дополнительного центрирующих элементов и не может изменяться. Это обусловлено тем, что в заявляемом центраторе центрирующие элементы 5, упруго деформируясь, могут постоянно контактировать с поверхностью как основного ствола, так и каверны в широком диапазоне изменения их диаметров, обеспечивая гарантированное центрирование обсадной колонны.The implementation of the centering elements 5 of the inventive centralizer in the form of strips of elastically deformable material provides an extension of its operational capabilities compared to the casing centralizer (see prototype), where the maximum outreach of the centering elements is rigidly determined by the linear dimensions of the articulated joints of the main and additional centering elements and cannot be changed . This is due to the fact that in the inventive centralizer, the centering elements 5, elastically deforming, can constantly contact the surface of both the main trunk and the cavity in a wide range of diameters, providing guaranteed centering of the casing.

При перемещении дифференциальной втулки 11 вниз одновременно с ней будет перемещаться и разрезное кольцо 20 узла фиксации центрирующих элементов 5, размещенное в канавке 22, выполненной в полости 16 дифференциальной втулки 11. При этом за счет взаимодействия выступов 24 с канавками 23 разрезное кольцо 20 будет, упруго деформируясь, расширяться и вновь смыкаться по мере перемещения на шаг расположения канавок 23 и выступов 24. Этому способствует также радиальный зазор h₁ между внутренней поверхностью канавки 22 и наружной поверхностью разрезного кольца 20 в исходном положении, величина которого превышает высоту h₂ кольцевых выступов 24, а также разрез 21 в кольце 20. После достижения давления нагнетания в обсадной колонне заданной величины, при которой центрирующие элементы 5 гарантированно с определенным усилием будут контактировать с поверхностью стенок ствола скважины, насос на поверхности выключают. При снижении давления усилие на дифференциальной втулке 11 уменьшится, однако ее обратное перемещение вверх предотвращается взаимодействием выступов 24 с канавками 23, форма которых, например, в виде треугольника, одна из сторон которого перпендикулярна продольной оси корпуса 1, допускает возможность перемещения разрезного кольца 20, а следовательно, и дифференциальной втулки 11, вверх на величину не более размера одного шага канавок 23. Тем самым, обеспечивается минимальная обратная деформация и возврат в исходное положение центрирующих элементов 5, что повышает надежность работы заявляемого центратора по сравнению с прототипом.When the differential sleeve 11 is moved downward, the split ring 20 of the centering element fixing unit 5 located in the groove 22 made in the cavity 16 of the differential sleeve 11 will simultaneously move with it. Moreover, due to the interaction of the protrusions 24 with the grooves 23, the split ring 20 will be elastic deformed, expanded and again interlock as they move to the arrangement pitch of the grooves 23 and the projections 24. This also contributes to the radial gap h ₁ between the inner surface of the groove 22 and the outer surface of the split to tsa 20 in the rest position, the magnitude of which exceeds the height h ₂ of the annular projections 24 as well as the incision 21 in the annulus 20. After reaching a discharge pressure in the casing a predetermined value at which the centering elements 5 is guaranteed a certain amount of force will be in contact with the borehole wall surface , the surface pump is turned off. When the pressure decreases, the force on the differential sleeve 11 will decrease, however, its reverse upward movement is prevented by the interaction of the protrusions 24 with the grooves 23, the shape of which, for example, in the form of a triangle, one of whose sides is perpendicular to the longitudinal axis of the housing 1, allows the split ring 20 to be moved, and consequently, the differential sleeve 11, upward by no more than the size of one step of the grooves 23. This ensures the minimum reverse deformation and return to the initial position of the centering elements cops 5, which increases the reliability of the inventive centralizer compared with the prototype.

Кроме того, срабатывание заявляемого центратора не зависит от прочности пород, слагающих разрез скважины в интервале его установки, а выполнение его центрирующих элементов 5 в виде упругодеформируемых планок позволяет производить смещение обсадной колонны вверх и вниз, что, по сравнению с прототипом, способствует расширению его эксплуатационных возможностей. При этом обеспечивается и возможность проворота обсадной колонны, поскольку центрирующие элементы 5 будут неподвижны относительно стенки скважины, так как связаны с втулками 6 и 7, которые имеют возможность вращения относительно корпуса 1.In addition, the operation of the inventive centralizer does not depend on the strength of the rocks that make up the section of the well in the interval of its installation, and the implementation of its centering elements 5 in the form of elastically deformable slats allows the casing to shift up and down, which, in comparison with the prototype, helps to expand its operational of opportunities. This also provides the possibility of rotation of the casing, since the centering elements 5 will be stationary relative to the wall of the well, as they are connected with the sleeves 6 and 7, which have the ability to rotate relative to the housing 1.

Таким образом, совокупность отличительных признаков обеспечивает заявляемому центратору повышение надежности работы и расширение эксплуатационных возможностей по сравнению с аналогами и прототипом.Thus, the combination of distinctive features provides the claimed centralizer increased reliability and enhanced operational capabilities compared to analogues and prototype.

Claims

A hydromechanical centralizer, comprising a casing in the form of a segment of a casing pipe with attached lower and upper sub and a through radial channel made in the pipe wall; centering elements evenly spaced along forming on the outer cylindrical surface of the housing, the ends of which are connected to the housing; located on the outer cylindrical surface of the housing unit for moving the centering elements to the working position, hydraulically connected to the cavity of the housing by a radial channel and containing the clamp of the initial position in the form of a shear pin connected to the housing; located on the outer cylindrical surface of the housing unit for fixing the centering elements in the working position, characterized in that the centering elements are made in the form of strips of elastically deformable material with a convexity outward, the diameter of the circumscribed circle around which in the initial position does not exceed the outer diameter of the sub, and their connection with the body is carried out by fixing the ends in bushings mounted on the housing with the possibility of rotation and longitudinal movement, the lower of which is located above zhnim top sub and the upper located under the unit displacement of the centering elements into the working position, which is configured as a mobile differential sleeve with an outer diameter no greater than the outer diameter of subs, and two bores, the top of which a diameter D _1, is reacted with a groove on the top sub, and the lower bore with a diameter of D ₂ interacts with a groove on the body, and the hydraulic connection of the displacement unit with the radial channel of the body is carried out by a cavity located between the bore the differential sleeve, and the diameter D _{1 is} larger than the diameter D ₂ , the centering element fixation unit in the working position is made in the form of a split ring made of elastically deformable material and installed in a groove made in the differential sleeve cavity on the inner cylindrical surface of the split ring along the generatrix annular grooves interacting with mating annular protrusions made on the outer cylindrical surface of the housing with a step equal to the spacing of the grooves ra carved ring; moreover, the shape of the grooves and protrusions allows the reverse movement of the split ring in the housing by no more than the spacing of the annular grooves and protrusions when moving the centering elements to the operating position, and the radial clearance h ₁ between the inner surface of the groove made in the cavity of the differential sleeve and the outer the surface of the split ring in the initial position exceeds the height h _{2 of the} annular protrusions.