RU2475618C1

RU2475618C1 - Casing centraliser

Info

Publication number: RU2475618C1
Application number: RU2011148165/03A
Authority: RU
Inventors: Андрей Васильевич Секисов; Булат Юсупович Хайруллин; Олег Леонидович Витязев; Ильшат Фархатович Ашманов
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "СибБурМаш"
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2013-02-20

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention contains housing installed on casing pipe with possibility of rotation and longitudinal movement between two limit stops. Limit stops are rigidly fixed on casing pipe and designed as rings with threaded openings. Retaining screws interacting with casing are installed in threaded openings. Limit stops rings are separated from housing which includes upper and lower belts. Belts are designed as cylinder rings connected to centring ribs curved by arc in planes forming outside part by bulge. Outside surface of centring ribs in centreplane is designed arc-shaped with radius equal to outside radius of housing belts.

EFFECT: improving operating reliability.

1 cl, 2 dwg

Description

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

Известен пружинный центратор и его фиксатор на обсадной трубе (ПМ РФ №98220, Е21В 17/00), содержащийKnown spring centralizer and its clamp on the casing (PM RF No. 988220, EV 17/00) containing

- цельный корпус с центрирующими ребрами,- one-piece housing with centering ribs,

- соединенными с концевыми частями в виде верхнего и нижнего колец,- connected to the end parts in the form of upper and lower rings,

- фиксаторы пружинного центратора на обсадной трубе,- clamps of the spring centralizer on the casing,

- и трубки с развальцованными концами, установленные в отверстиях нижнего кольца,- and tubes with flared ends installed in the holes of the lower ring,

- причем фиксаторы и трубки выполнены с внешней и внутренней резьбой соответственно с возможностью ввинчивания фиксаторов до упора в обсадную трубу.- and the clamps and tubes are made with external and internal threads, respectively, with the possibility of screwing the clamps all the way into the casing.

Недостатком известного центратора является низкая надежность работы, обусловленная тем, что он неподвижно соединен фиксаторами с обсадной трубой. Это обстоятельство не позволяет осуществлять вращение обсадной колонны, необходимое, например, для устранения ее прихвата в процессе спуска в скважину, поскольку центрирующие ребра, контактирующие со стенкой скважины, будут врезаться в горную породу, создавая сопротивление и препятствуя вращению обсадной колонны. При этом возможны деформация центрирующих ребер с изменением их формы и последующей поломкой, что исключает возможность выполнения известным центратором своего функционального назначения. Кроме того, обломки центрирующих ребер, застряв в зазоре между элементами компоновки обсадной колонны и стенкой скважины, могут заклинить обсадную колонну, что усугубит аварию или же не позволит осуществить спуск обсадной колонны в заданный интервал.A disadvantage of the known centralizer is the low reliability of operation, due to the fact that it is motionlessly connected by clamps to the casing. This circumstance does not allow the rotation of the casing, necessary, for example, to eliminate its sticking during the descent into the well, since the centering ribs in contact with the wall of the well will cut into the rock, creating resistance and obstructing the rotation of the casing. In this case, deformation of the centering ribs with a change in their shape and subsequent breakage is possible, which excludes the possibility of the well-known centralizer performing its functional purpose. In addition, fragments of the centering ribs, stuck in the gap between the elements of the casing string and the wall of the well, can jam the casing, which will aggravate the accident or prevent the casing from being lowered into the specified interval.

Таким образом, конструктивное исполнение известного центратора не обеспечивает достаточной надежности его эксплуатации.Thus, the design of the known centralizer does not provide sufficient reliability of its operation.

Наиболее близким по техническому решению среди пружинных центраторов является выбранный в качестве прототипа «Пружинный центратор» (ПМ РФ №91737, Е21В 17/10), содержащийThe closest in technical solution among the spring centralizers is the spring centralizer selected as a prototype (PM RF No. 91737, ЕВВ 17/10), containing

- пружинные планки,- spring bars

- и соединенные с ними крепежные элементы,- and fasteners connected to them,

- выполненные в виде цельнокроеных обечаек, концы которых соединены сварным швом,- made in the form of one-piece shells, the ends of which are connected by a weld,

- причем на нижней обечайке выполнены резьбовые отверстия с установленными в них фиксирующими винтами.- moreover, threaded holes with fixing screws installed in them are made on the lower shell.

Неподвижное соединение известного центратора фиксирующими винтами с обсадной колонной и соединение цельнокроеных обечаек методом сварки не обеспечивает надежности его работы по тем же обстоятельствам, что и у предыдущего аналога.The fixed connection of the well-known centralizer with fixing screws to the casing and the connection of solid-cut shells by welding does not ensure the reliability of its operation for the same circumstances as the previous counterpart.

Кроме того, известный центратор обладает ограниченными эксплуатационными возможностями ввиду того, что его применение в составе обсадной колонны будет затруднять ее спуск, особенно в наклонно-направленных скважинах с большим отходом от вертикали или в скважинах с горизонтальным окончанием.In addition, the well-known centralizer has limited operational capabilities due to the fact that its use in the composition of the casing will make it difficult to run, especially in directional wells with a large deviation from the vertical or in wells with horizontal completion.

Это связано с тем, что пружинные планки известного центратора, постоянно прижатые к стенке скважины за счет упругих свойств материала, при контакте с горной породой будут врезаться и утапливаться в нее, создавая сопротивление спуску обсадной колонны. А это, в свою очередь, обусловлено конструкцией известного центратора, изготавливаемого из листовой стали в виде цельнокроеной обечайки с плоской поверхностью, ввиду чего после изготовления центратора наружная поверхность пружинных планок, обращенная к цилиндрической поверхности стенки скважины, в плоскости, перпендикулярной продольной оси центратора, будет плоской. Поэтому в поперечном сечении наружная поверхность пружинных планок будет представлять собой хорду, крайние точки которой в сечении наибольшего прогиба будут контактировать с окружностью сечения скважины, описанной вокруг пружинных планок центратора. Такое точечное взаимодействие пружинных планок со стенкой скважины будет вызывать значительное удельное давление в их контакте с горной породой и связанное с этим внедрение пружинных планок в нее, особенно в интервалах со слабосцементированными и пластичными породами.This is due to the fact that the spring bars of the well-known centralizer, constantly pressed against the wall of the well due to the elastic properties of the material, when in contact with the rock, will crash and sink into it, creating resistance to the casing running. And this, in turn, is due to the design of the well-known centralizer made of sheet steel in the form of a one-piece shell with a flat surface, because of which, after the centralizer is made, the outer surface of the spring bars facing the cylindrical surface of the well wall in a plane perpendicular to the longitudinal axis of the centralizer flat. Therefore, in cross section, the outer surface of the spring bars will be a chord, the extreme points of which in the cross section of the greatest deflection will be in contact with the circumference of the well section described around the spring bars of the centralizer. Such a point interaction of the spring bars with the wall of the well will cause a significant specific pressure in their contact with the rock and the associated introduction of spring bars into it, especially in the intervals with weakly cemented and plastic rocks.

При этом величина удельного давления в контакте пружинных планок со стенкой скважины, их внедрение в горную породу и, соответственно, сопротивление перемещению обсадной колонны будут существенно возрастать по мере увеличения угла наклона ствола скважины и будут максимальными на горизонтальном участке ствола скважины за счет воздействия массы труб обсадной колонны.In this case, the specific pressure in the contact of the spring bars with the wall of the well, their introduction into the rock and, accordingly, the resistance to movement of the casing string will increase significantly with increasing angle of inclination of the wellbore and will be maximum in the horizontal section of the wellbore due to the influence of the mass of casing pipes the columns.

Поэтому применение известного центратора может быть ограничено только скважинами с вертикальным стволом или с незначительным отходом от вертикали.Therefore, the use of the known centralizer can be limited only to wells with a vertical wellbore or with a slight departure from the vertical.

Задачей настоящего изобретения является создание технического решения центратора обсадной колонны, лишенного перечисленных недостатков.An object of the present invention is to provide a technical solution for a casing centralizer 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 известный центратор обсадной колонны, содержащийTo achieve this result, a well-known casing centralizer containing

- корпус, установленный на обсадной трубе, выполненный из пружинной стали и включающий верхний и нижний пояса в виде цилиндрических колец, соединенных с центрирующими ребрами, выгнутыми по дуге в плоскости образующих выпуклостью наружу,- a casing mounted on a casing made of spring steel and including upper and lower chords in the form of cylindrical rings connected to centering ribs curved in an arc in the plane forming a convex outward,

- и фиксирующие винты,- and fixing screws,

СОГЛАСНО ИЗОБРЕТЕНИЮACCORDING TO THE INVENTION

- дополнительно снабжен ограничителями перемещения корпуса, неподвижно установленными на обсадной трубе и выполненными в виде колец с резьбовыми отверстиями, в которых установлены фиксирующие винты, взаимодействующие с обсадной трубой,- is additionally equipped with movement limiters fixedly mounted on the casing and made in the form of rings with threaded holes in which fixing screws are installed that interact with the casing,

- корпус установлен на обсадной трубе с возможностью вращения и продольного перемещения,- the housing is mounted on a casing with the possibility of rotation and longitudinal movement,

- а наружная поверхность центрирующих ребер в диаметральной плоскости выполнена дугообразной с радиусом, равным наружному радиусу поясов корпуса.- and the outer surface of the centering ribs in the diametrical plane is made arcuate with a radius equal to the outer radius of the casing belts.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен заявляемый центратор обсадной колонны в рабочем положении в скважине, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1.The invention is illustrated by drawings, where in Fig.1 shows the inventive casing centralizer in the working position in the well, in Fig.2 - section aa in Fig.1.

Заявляемый центратор обсадной колонны (фиг.1) содержит корпус 1, выполненный из трубы с верхним 2 и нижним 3 поясами в виде цилиндрических колец, которые соединены с центрирующими ребрами 4, равномерно расположенными по окружности и выгнутыми по дуге в плоскости образующих выпуклостью наружу. Наружная поверхность 5 центрирующих ребер 4 в диаметральной плоскости (фиг.2) выполнена дугообразной с радиусом R₁, равным наружному радиусу R₂ колец поясов 2 и 3 корпуса 1.The inventive casing centralizer (Fig. 1) comprises a housing 1 made of a pipe with upper 2 and lower 3 belts in the form of cylindrical rings that are connected to the centering ribs 4, uniformly spaced around the circumference and curved in an arc in the plane forming a convex outward. The outer surface 5 of the centering ribs 4 in the diametrical plane (figure 2) is made arched with a radius R ₁ equal to the outer radius R _{2 of the} rings of the belts 2 and 3 of the housing 1.

Корпус 1 установлен с возможностью вращения и продольного перемещения между двумя ограничителями 6 перемещения корпуса 1, выполненными в виде отдельных от корпуса 1 деталей в форме колец, в которых выполнены резьбовые отверстия 7 с установленными в них фиксирующими винтами 8. В случае если компоновка обсадной колонны представлена обсадными трубами 9, оснащенными муфтами 10, количество ограничителей может быть уменьшено до одного, т.к. вторым ограничителем корпуса 1 будет являться муфта 10. При этом внутренний диаметр поясов 2 и 3 и колец ограничителей 6 больше наружного диаметра обсадной трубы 9, что обеспечивает возможность монтажа на ней корпуса 1 центратора и ограничителей 6.The housing 1 is mounted with the possibility of rotation and longitudinal movement between the two limiters 6 of the movement of the housing 1, made in the form of rings-shaped parts separate from the housing 1, in which threaded holes 7 are made with fixing screws installed in them 8. If the casing arrangement is presented casing pipes 9, equipped with couplings 10, the number of limiters can be reduced to one, because the second limiter of the housing 1 will be a coupling 10. In this case, the inner diameter of the belts 2 and 3 and the rings of the limiters 6 is larger than the outer diameter of the casing 9, which makes it possible to mount the centralizer body 1 and limiters 6 on it.

Для изготовления заготовки корпуса 1 центратора обсадной колонны используют трубу из незакаленной пружинной стали, на которой равномерно по окружности трубы известным способом, например, лазерной резкой или фрезерованием, вырезают несколько окон с образованием поясов 2 и 3 и перемычек, из которых впоследствии формируют центрирующие ребра 4. Поэтому благодаря формированию центрирующих ребер 4 из перемычек, являющихся частью цилиндрической трубной заготовки, их наружная поверхность 5 в поперечном сечении будет выполнена по дуге с радиусом R₁, равным радиусу R₂ трубной заготовки, который заведомо меньше радиуса R₃ окружности скважины 11. При этом диаметр описанной окружности вокруг дугообразных центрирующих ребер 4 в сечении их наибольшего прогиба выполнен больше диаметра скважины 11.To make a workpiece for the casing centralizer casing 1 body, use a pipe made of non-hardened spring steel, on which several windows are cut uniformly around the pipe circumference in a known manner, for example, by laser cutting or milling, with the formation of belts 2 and 3 and jumpers, from which centering ribs 4 are subsequently formed Therefore, due to the formation of the centering ribs 4 from the jumpers that are part of the cylindrical tube billet, their outer surface 5 in cross section will be made along an arc with a radius R ₁ equal to the radius R _{2 of the} tubular billet, which is obviously less than the radius R _{3 of the} circumference of the well 11. Moreover, the diameter of the circumscribed circle around the arcuate centering ribs 4 in the cross section of their greatest deflection is larger than the diameter of the well 11.

Заявляемый центратор обсадной колонны работает следующим образом.The inventive centralizer casing operates as follows.

При спуске обсадной колонны центратор на устье с требуемой периодичностью устанавливают на обсадные трубы 9 (фиг.1), для чего на обсадную трубу 9 устанавливают ограничитель 6, закрепляют его, вворачивая в резьбовые отверстия 7 фиксирующие винты 8 до упора в тело трубы 9. Затем на обсадную трубу 9 устанавливают корпус 1 центратора и на некотором расстоянии от торца верхнего пояса 2, превышающем линейное удлинение корпуса 1 от деформации сжатия дугообразных центрирующих ребер 4, монтируют второй ограничитель 6. В случае если компоновка обсадной колонны представлена трубами 9, оснащенными муфтами 10, количество ограничителей может быть уменьшено до одного, т.к. вторым ограничителем корпуса 1 будет являться муфта 10.When lowering the casing, the centralizer at the mouth with the required frequency is installed on the casing 9 (Fig. 1), for which a restrictor 6 is installed on the casing 9, fix it by screwing the fixing screws 8 into the threaded holes 7 until it stops in the pipe body 9. Then a centralizer body 1 is installed on the casing 9 and, at a distance from the end of the upper belt 2, exceeding the linear elongation of the body 1 from the compression deformation of the arcuate centering ribs 4, a second stopper 6 is mounted. If the casing arrangement is onny represented pipe 9 equipped with couplings 10, number of stops can be reduced to one, since the second limiter of the housing 1 will be a clutch 10.

Поскольку в исходном состоянии при изготовлении центратора диаметр описанной окружности вокруг дугообразных центрирующих ребер 4 в сечении их наибольшего прогиба был больше диаметра скважины 11, то при спуске обсадной колонны и проходе заявляемого центратора по стволу скважины ребра 4, контактируя со стенкой скважины 11, будут сжиматься, несколько увеличивая длину корпуса 1. Этому не будут препятствовать ограничители 6, заранее установленные друг от друга на расстоянии, обеспечивающем возможность беспрепятственного продольного перемещения корпуса 1 на обсадной трубе 9.Since in the initial state in the manufacture of the centralizer, the diameter of the circumscribed circle around the arcuate centering ribs 4 in the cross section of their greatest deflection was larger than the diameter of the bore 11, when the casing is lowered and the inventive centralizer passes along the borehole, the ribs 4 will come into contact with the borehole wall 11, slightly increasing the length of the housing 1. This will not be prevented by the limiters 6, pre-installed from each other at a distance, providing the possibility of an unhindered longitudinal movement Ia casing 1 to the casing 9.

При этом, благодаря тому, что наружная поверхность 5 центрирующих ребер 4 в поперечном сечении выполнена по дуге с радиусом R₁, который меньше радиуса R₃ окружности скважины 11, контакт ребер 4 со стенкой скважины 11 будет в точке, расположенной на образующей, симметрично делящей центрирующие ребра 4 вдоль на две половины. Поэтому при возрастании усилия в контакте ребра 4 со стенкой скважины 11, например, при увеличении угла наклона ее ствола и, соответственно, увеличения усилия воздействия от массы обсадной трубы, внедрения ребра 4 в горную породу происходить не будет, поскольку удельное давление не будет возрастать из-за увеличения площади контакта ребра 4 и его скольжения по стенке скважины 11. Тем самым, заявляемый центратор, изготавливаемый из трубной заготовки, будет обладать более расширенными эксплуатационными возможностями по сравнению с аналогом и прототипом, изготавливаемых из листовой стали, ввиду того, что его применение в составе обсадной колонны не будет затруднять ее спуск, особенно в наклонно-направленных скважинах с большим отходом от вертикали или в скважинах с горизонтальным окончанием.Moreover, due to the fact that the outer surface 5 of the centering ribs 4 in cross section is made in an arc with a radius R ₁ that is smaller than the radius R _{3 of the} circumference of the well 11, the contact of the ribs 4 with the wall of the well 11 will be at a point located on the generatrix, symmetrically dividing centering ribs 4 along two halves. Therefore, with an increase in the force in contact of the rib 4 with the wall of the well 11, for example, with an increase in the angle of inclination of its wellbore and, accordingly, an increase in the force of impact from the mass of the casing, the introduction of the rib 4 into the rock will not occur, since the specific pressure will not increase from due to the increase in the contact area of the rib 4 and its sliding along the wall of the well 11. Thus, the inventive centralizer made of a pipe billet will have more advanced operational capabilities compared to the analogue and p ototipom made from sheet steel, in view of the fact that its use in the composition of the casing will not impede its descent, particularly in directional wells with ERD wells or horizontal completion.

Поскольку корпус 1 заявляемого центратора отделен от ограничителей 6 и установлен на обсадной трубе 9 с возможностью продольного перемещения и вращения, он не будет препятствовать провороту или вращению последней, например, для предотвращения или ликвидации прихвата. Это повышает надежность эксплуатации и расширяет эксплуатационные возможности заявляемого центратора по сравнению с аналогом и прототипом, жесткое крепление которых на обсадной трубе не обеспечивает возможности ее вращения.Since the housing 1 of the inventive centralizer is separated from the limiters 6 and mounted on the casing 9 with the possibility of longitudinal movement and rotation, it will not impede the rotation or rotation of the latter, for example, to prevent or eliminate sticking. This increases the reliability of operation and expands the operational capabilities of the inventive centralizer in comparison with the analogue and prototype, the rigid fastening of which on the casing does not provide the possibility of its rotation.

Таким образом, совокупность отличительных свойств заявляемого центратора обеспечивает по сравнению с аналогом и прототипом:Thus, the combination of distinctive properties of the proposed centralizer provides, in comparison with the analogue and prototype:

- повышение надежности его работы,- improving the reliability of his work,

- расширение эксплуатационных возможностей.- expansion of operational capabilities.

Claims

A casing centralizer comprising a housing mounted on a casing made of spring steel and comprising upper and lower chords in the form of cylindrical rings connected to centering ribs curved outward in an arc in a plane and fixing screws, characterized in that it is additionally equipped with body movement limiters fixedly mounted on the casing and made in the form of rings with threaded holes in which fixing screws are installed that interact with the casing hydrochloric tube body is mounted to the casing for rotation and longitudinal movement and the outer surface of the centering ribs in a diametral plane is arcuate with a radius equal to the outer radius of the body belt.