RU2810118C1 - Устройство для выправления смятой обсадной колонны - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к выправлению смятых обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах. Устройство включает толкатель с центральным осевым каналом. Верхний конец толкателя связан с муфтовым переводником, а нижний - с направляющим патрубком. Наружная боковая поверхность толкателя разделена ступенчатым кольцевым буртиком на верхнюю и нижнюю части. Между направляющим патрубком и кольцевым буртиком снаружи нижней части толкателя с возможностью осевого перемещения относительно него установлены несущие и переходная секции, упорный подшипник с нижней и верхней обоймами, опорная втулка и регулировочная шайба. Снаружи толкателя размещена цилиндрическая пружина. Переходная и несущие секции имеют форму полого усеченного конуса со сквозными радиальными каналами, в которых с возможностью осевого перемещения и вращения размещены раскатывающие шары. Опорная втулка имеет форму полого цилиндра с днищем, в котором выполнен центральный осевой канал для размещения толкателя. Между переходной секцией и опорной втулкой размещен упорный подшипник для нейтрализации крутящего момента. Регулировочная шайба установлена внутри опорной втулки. Повышается надежность и эффективность работы устройства. 5 ил.

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к выправлению смятых обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах.

Смятие обсадной колонны оценивают, главным образом, по изменению ее внутреннего проходного диаметра. Если длина смятого участка не превышает двух наружных диаметров обсадной колонны, в результате чего ее внутренний проходной диаметр уменьшился до 0,85 номинального значения, то смятие считается незначительным. Если же длина смятого участка обсадной колонны превышает три наружных диаметра обсадной колонны и при этом ее внутренний проходной диаметр уменьшился до 0,8 номинального значения, то смятие относится к разряду значительных.

Незначительное смятие обсадной колонны достаточно часто удается выправить при помощи различных рода оправок, оправочных долот или грушевидных фрезеров (не имеющих твердосплавных вставок на боковой поверхности) [1]. Однако для ликвидации значительных смятий обсадной колонны требуется использование специальных устройств.

Известно устройство для выправления обсадной колонны [2], включающее корпус с коническими прямой и обратной направляющими и кольцевым пазом на наружной поверхности, последовательно установленные в кольцевом пазу корпуса кольца с пазами на взаимно обращенных поверхностях, размещенные на корпусе между кольцами с возможностью вращения ролики с выступами в верхней и нижней частях, расположенными в пазах колец. На наружной поверхности корпуса выполнены радиальные пазы, имеющие в поперечном сечении корпуса равномерно изменяющуюся глубину для радиального перемещения роликов, размещенных в радиальных пазах корпуса. Указанные ролики установлены в радиальных пазах корпуса с возможностью радиального перемещения. При этом кольца размещены с возможностью вращения относительно продольной оси корпуса, а длина пазов колец в поперечной плоскости корпуса равна величине радиального перемещения роликов.

Основные недостатки известного устройства - необходимость создания значительных величин момента вращения бурильной колонны в процессе выправления смятого участка обсадной колонны и высокая вероятность заклинивания устройства в процессе работы.

Известно устройство для выправления обсадной колонны [3], включающее корпус с коническими прямой и обратной направляющими и кольцевым пазом на наружной поверхности, последовательно установленные в кольцевом пазу корпуса кольца с пазами на взаимно обращенных поверхностях, размещенные на корпусе между кольцами с возможностью вращения ролики с выступами в верхней и нижней частях, расположенными в пазах колец с возможностью радиального перемещения. На наружной поверхности корпуса выполнены радиальные пазы, имеющие в поперечном сечении корпуса равномерно изменяющуюся глубину для радиального перемещения роликов, размещенных в радиальных пазах корпуса, а кольца установлены с возможностью вращения относительно продольной оси корпуса. Кольца, между которыми размещены ролики, дополнительно жестко соединены между собой пластинами, образуя окна для роликов. Ролики, которые охвачены жестко соединенными кольцами, образуют ряды роликов, а радиальные пазы корпуса для каждого из верхних рядов роликов выполнены с возможностью радиального перемещения, большего, чем для нижних роликов. Каждый из рядов роликов выполнен с возможностью независимого вращения относительно корпуса, который дополнительно оснащен технологическими вставками. Несколько рядов роликов образуют расширяющие блоки, разделенные технологическими вставками.

Недостатки известного устройства заключаются в необходимости создания высоких величин момента вращения бурильной колонны, т.к. при выправлении смятой стенки обсадной колонны полный радиальный выход роликов одного ряда происходит даже при незначительном угле поворота корпуса. При этом каждый проскок роликов в радиальных пазах корпуса сопровождается скачкообразной просадкой бурильной колонны. В результате указанного неравномерного режима раскатки внутренняя поверхность выправленного участка обсадной колонны часто оказывается ступенчатой.

Известно устройство для ликвидации смятия колонны труб в скважине [4], которое может быть предложено в качестве прототипа. Известное устройство включает конический корпус с большим основанием в верхней части и со радиальными пазами, внутри которых с возможностью вращения расположены опорные шары. Конический корпус одновременно является узлом крепления опорных шаров. Радиальные пазы в коническом корпусе выполнены сквозными и расположены по винтовой линии. Внутри конического корпуса телескопически размещен конический толкатель с большим основанием в верхней части и равномерно расположенными по окружности продольными пазами для размещения опорных шаров. Верхний конец толкателя жестко связан с переходником, выполненным в виде полумуфты с внутренней резьбой для присоединения к бурильной колонне. Ответная полумуфта жестко связана с верхним концом корпуса. Полумуфты связаны между собой посредством срезных элементов. Закрепленная на толкателе полумуфта обеспечивает передачу крутящего момента от бурильной колонны на конический корпус.

Недостатки заключаются в низкой надежности и эффективности работы известного устройства, обусловленными особенностями его конструкции. В процессе работы, при создании осевой нагрузки на толкатель, опорные шары лишены возможности качения, поскольку заклинены между продольными пазами толкателя и стенкой смятой обсадной колонны. Замена качения опорных шаров на их скольжение требует создания значительных моментов вращения, которые приводят к быстрому истиранию опорных шаров и износу толкателя. Ситуация усугубляется тем, что опорные шары и толкатель работают без охлаждения, так как возможность эффективной циркуляции промывочной жидкости в процессе работы устройства не предусмотрена.

Задачей настоящего изобретения является повышение надежности и эффективности работы устройства для выправления смятой обсадной колонны.

Задача решается и технический результат достигается тем, что устройство для выправления смятой обсадной колонны снабжено направляющим патрубком, упорным подшипником с верхней и нижней обоймами, опорной втулкой, регулировочной шайбой и цилиндрической пружиной сжатия, причем узел размещения раскатывающих шаров разделен поперечными разрезами на несущие и переходную секции, при этом толкатель выполнен с центральным осевым каналом, а нижний конец переходника - с внутренней присоединительной резьбой, причем верхняя и нижняя части наружной боковой поверхности толкателя разделены между собой ступенчатым кольцевым буртиком, при этом наружный диаметр верхней части толкателя больше максимального наружного диаметра его нижней части, а сквозные радиальные каналы, выполненные в несущих и переходной секциях, расположены равномерно по окружности в плоскости, перпендикулярной по отношению к центральной оси секции, причем направляющий патрубок соосно присоединен к нижнему концу толкателя, при этом несущие и переходная секции, упорный подшипник, опорная втулка и регулировочная шайба последовательно размещены снаружи нижней части толкателя с возможностью осевого перемещения относительно него, причем нижняя несущая секция имеет возможность взаимодействия с направляющим патрубком, а регулировочная шайба - со ступенчатым кольцевым буртиком, причем опорная втулка имеет форму полого цилиндра с днищем, в котором выполнен центральный осевой канал для размещения толкателя, при этом на днище выполнена наружная кольцевая проточка для размещения верхней обоймы упорного подшипника, а в верхней части переходной секции - ответная наружная кольцевая проточка для размещения нижней обоймы упорного подшипника, причем упорный подшипник соосно размещен между переходной секцией и опорной втулкой, а регулировочная шайба - внутри опорной втулки, причем цилиндрическая пружина сжатия размещена снаружи толкателя с возможностью осевого перемещения относительно него, при этом верхний конец цилиндрической пружины взаимодействует с муфтовым переводником, а нижний - с регулировочной шайбой, причем максимальный наружный диаметр нижней несущей секции не превышает наружного диаметра направляющего патрубка, при этом наружный диаметр регулировочной шайбы соответствует внутреннему диаметру опорной втулки, а внутренний диаметр регулировочной шайбы меньше наружного диаметра верхней части толкателя, но больше максимального наружного диаметра его нижней части.

Конструкция предложенного устройства для выправления смятой обсадной колонны поясняется чертежами, где: на фиг.1 показан общий вид устройства в транспортном положении; на фиг.2 - общий вид устройства в рабочем положении; на фиг.3 - вид А на фиг.2; на фиг.4 - поперечное сечение Б-Б на фиг.1; на фиг.5 - поперечное сечение В-В на фиг.2.

Устройство для выправления смятой обсадной колонны присоединяется к нижнему концу бурильной колонны 1 посредством переходника, который выполнен в виде муфтового переводника 2 с центральным осевым каналом и с внутренними присоединительными резьбами на обоих концах.

Устройство состоит из толкателя 3 с центральным осевым каналом 4. К верхнему концу толкателя 3 соосно присоединен муфтовый переводник 2, а к нижнему концу - направляющий патрубок 5 для центрирования устройства внутри смятого участка обсадной колонны 6. Направляющий патрубок 5 должен иметь возможность прохода через смятую часть обсадной колонны 6, поэтому его наружный диаметр должен соответствовать внутреннему размеру смятой части обсадной колонны 6 (т.е. минимальной величине ее внутреннего проходного диаметра).

Наружная боковая поверхность толкателя 3 разделена ступенчатым кольцевым буртиком 7 на верхнюю и нижнюю части. Наружная боковая поверхность верхней части толкателя 3 имеет цилиндрическую форму, а наружная боковая поверхность нижней - форму конуса, у которого большее из оснований обращено в сторону цилиндрической части толкателя 3. Наружный диаметр верхней цилиндрической части толкателя 3 превышает максимальную величину наружного диаметра его нижней конусной части.

Рекомендуемый угол при вершине конуса (или угол раствора конуса) у толкателя 3 составляет от 5° до 9°, чтобы, во-первых, ограничить величину нагрузки, передаваемой на стенку обсадной колонны 6 во избежание разрушения последней, и, во-вторых, предотвратить образование кольцевых канавок на конической наружной поверхности толкателя 3 и вероятность заклинивания устройства внутри обсадной колонны 6 в процессе выправления ее смятого участка.

Снаружи нижней части толкателя 3, между направляющим патрубком 5 и ступенчатым кольцевым буртиком 7, соосно и последовательно в направлении снизу-вверх установлены несущие 8 и переходная 9 секции, упорный подшипник 10 с нижней 11 и верхней 12 обоймами, опорная втулка 13 и регулировочная шайба 14, которые имеют возможность осевого перемещения относительно толкателя 3. При этом нижняя несущая секция 8 может взаимодействовать с направляющим патрубком 5, а регулировочная шайба 14 - со ступенчатым кольцевым буртиком 7.

Снаружи толкателя 3, также с возможностью осевого перемещения относительно него, размещена цилиндрическая пружина сжатия 15, которая своим верхним концом взаимодействует с муфтовым переводником 2, а нижним - с регулировочной шайбой 14.

Несущие 8 и переходная 9 секции выполнены в форме полого усеченного конуса, у которого наружная и внутренняя боковые поверхности расположены соосно и имеют конусность, равную конусности нижней части толкателя 3. В боковой стенке несущих 8 и переходной 9 секций выполнены сквозные радиальные каналы 16, которые равномерно расположены по окружности в плоскости, перпендикулярной по отношению к центральной оси секции. Раскатывающие шары 17 размещены внутри радиальных каналов 16 с возможностью осевого перемещения и вращения.

Наружные и внутренние диаметры несущих 8 и переходной 9 секций, размещенных снаружи толкателя 3, последовательно увеличиваются в направлении снизу-вверх (в соответствии с выбранной конусностью толкателя 3). Таким образом, нижняя несущая секция 8 имеет наименьшие наружный и внутренний диаметры, а переходная секция 9 - наибольшие.

Для исключения возможности взаимодействия стенки смятой обсадной колонны 6 с наружной поверхностью нижней несущей секции 8, максимальный наружный диаметр последней (т.е. наружный диаметр большего из оснований нижней несущей секции 8) не превышает наружного диаметра направляющего патрубка 5.

В верхней части переходной секции 9 выполнена наружная кольцевая проточка 18 для размещения нижней обоймы 11 упорного подшипника 10.

Опорная втулка 13 имеет форму полого цилиндра с днищем 19, в котором выполнен центральный осевой канал для размещения толкателя 3. Кроме того, на днище 19 выполнена наружная кольцевая проточка 20 для размещения верхней обоймы 12 упорного подшипника 10.

Наружные кольцевые проточки 18 и 20 выполнены ответными по отношению друг к другу, за счет чего обеспечивается соосное размещение упорного подшипника 10 между переходной секцией 9 и опорной втулкой 13.

Упорный подшипник 10 предназначен для нейтрализации крутящего момента, передаваемого на цилиндрическую пружину 15 в процессе взаимодействия раскатывающих шаров 17 с толкателем 3 и со стенкой смятой обсадной колонны 6.

Внутри опорной втулки 13 соосно размещена регулировочная шайба 14, наружный диаметр которой соответствует внутреннему диаметру опорной втулки 13, а внутренний диаметр - меньше наружного диаметра верхней цилиндрической части толкателя 3, но больше максимального наружного диаметра нижней конусной части толкателя 3. При осевом перемещении относительно толкателя 3 регулировочная шайба 14 имеет возможность взаимодействия со ступенчатым кольцевым буртиком 7.

Раскатывающие шары 17 находятся во взаимодействии с толкателем 3, поэтому при его осевом перемещении относительно несущих 8 и переходной 9 секций изменяется величина наружного выхода (т.е. величина выдвижения) раскатывающих шаров 17 из радиальных каналов 16 каждой секции. В данном случае имеет смысл воспользоваться термином «наружный диаметр выдвижения (D)» раскатывающих шаров 17, который соответствует диаметру условной окружности, охватывающей с наружной стороны раскатывающие шары 17, выдвинутые толкателем 3 из радиальных каналов 16 каждой из несущих 8 и переходной 9 секций.

В транспортном положении устройства наружный диаметр выдвижения D раскатывающих шаров 17 из радиальных каналов 16 нижней несущей секции 8 должен быть меньше или равен внутреннему размеру смятой части обсадной колонны 6, через которое проходит направляющий патрубок 5.

В рабочем положении устройства, в зависимости от фактической толщины стенки обсадной колонны 6 на участке смятия, наружный диаметр выдвижения D раскатывающих шаров 17 из радиальных каналов 16 переходной секции 9 должен быть равен номинального внутреннему диаметру обсадной колонны 6. Указанное требование обеспечивается путем размещения регулировочной шайбы 14 соответствующей толщины внутри опорной втулки 13.

Оптимальное количество и диаметр раскатывающих шаров 17 и, соответственно, радиальных каналов 16 в каждой несущей 8 и переходной 9 секциях определяется при расчете конструкции устройства под конкретный размер обсадной колонны 6. При этом выбранные величины должны быть достаточными для исключения возможности контакта наружной боковой поверхности несущих 8 и переходной 9 секций с внутренней поверхностью смятой обсадной колонны 6 при транспортировке и работе устройства.

Количество раскатывающих шаров 17 и, соответственно, радиальных каналов 16 в несущих 8 и переходной 9 секциях может быть одинаковым или увеличиваться в осевом направлении снизу-вверх.

В местах сопряжения наружной боковой поверхности несущих 8 и переходной 9 секций с радиальными каналами 16, внутренний диаметр последних преднамеренно незначительно уменьшают, к примеру, путем кернения, установки наружного тонкостенного бандажа и др. Кернение (т.е. ударное образование точечных углублений) предотвращает возможность выпадения раскатывающих шаров 17 из радиальных каналов 16 при транспортировке устройства. Рекомендуемая величина наружного выхода раскатывающих шаров 17 из радиальных каналов 16 несущих 8 и переходной 9 секций может составлять 0,45-0,47 диаметра раскатывающего шара 17.

Радиальные каналы 16 могут быть размещены по высоте несущих 8 и переходной 9 секций в один или два яруса. При двухъярусном расположении радиальных каналов 16 рекомендуемое расстояние между ярусами (т.е. между плоскостями размещения радиальных каналов 16) не должно превышать 0,25 диаметра раскатывающего шара 17. Выполнение данного условия, как показывает практический опыт, повышается эффективность выправления смятой стенки обсадной колонны 6 и снижается вероятность образования кольцевых канавок на толкателе 3. Количество радиальных каналов 16, выполненных в каждом ярусе несущих 8 и переходной 9 секций должно быть одинаковым. При этом оси радиальных каналов 16 в смежных ярусах одной секции должны быть повернуты относительно друг друга на угол β=(360°:2N), где: N - количество радиальных каналов 16 в ярусе.

Выправление смятой обсадной колонны 6 при помощи предложенного устройства осуществляется следующим образом.

После выполнения мероприятий по уточнению глубины и характера смятия обсадной колонны 6, на устье скважины осуществляют сборку устройства. При этом требуемую толщину регулировочной шайбы 14 подбирают в зависимости от фактической толщины стенки обсадной колонны 6 на участке смятия.

При помощи муфтового переводника 2 устройство присоединяют к нижнему концу бурильной колонны 1 и спускают в ствол скважины. В транспортном положении устройства несущие 8 и переходная 9 секции, упорный подшипник 10, опорная втулка 13 и регулировочная шайба 14 последовательно размещены в нижней части толкателя 3 и поджимаются цилиндрической пружиной 15. В транспортном положении устройства нижняя несущая секция 8 взаимодействует с направляющим патрубком 5.

После размещения устройства над смятым участком обсадной колонны 6 организуют вращение бурильной колонны 1 и прямую циркуляцию промывочной жидкости через центральный осевой канал 4 толкателя 3 и направляющий патрубок 5. Затем медленно и плавно спускают устройство в обсадную колонну 6, контролируя при этом массу бурильной колонны 1 по показаниям гидравлического индикатора веса (ГИВ).

После прохождения направляющего патрубка 5 через участок нарушения обсадной колонны 6, во взаимодействие с ее смятой стенкой вступают раскатывающие шары 17, размещенные в радиальных каналах 16 либо нижней, либо другой, расположенной над ней, несущей секции 8.

Расчетная осевая нагрузка на толкатель 3, создаваемая путем частичной разгрузки бурильной колонны 1, передается раскатывающим шарам 17 упомянутой несущей секции 8. При взаимодействии со смятым участком обсадной колонны 6 вращающиеся раскатывающие шары 17 выправляют его, постепенно увеличивая внутренний проходной диаметр обсадной колонны 6.

В процессе выправления смятой стенки обсадной колонны 6 происходит медленное и плавное осевое перемещение толкателя 3 в направлении к забою скважины, сопровождаемое постепенным уменьшением осевой нагрузки на него. Уменьшение осевой нагрузки на толкатель 3 фиксируется на устье скважины (по показаниям ГИВ) как увеличение массы бурильной колонны 1. При этом величину расчетной осевой нагрузки на толкатель 3 периодически поддерживают при помощи талевой системы буровой установки.

По мере прохождения устройством смятого участка обсадной колонны 6, раскатывающие шары 17 несущих секций 8 последовательно участвуют в работе. А окончательное выправление смятой стенки обсадной колонны 6 выполняют раскатывающие шары 17 переходной секции 9.

После полного прохождения устройства через смятый участок обсадной колонны 6 циркуляцию промывочной жидкости и вращение бурильной колонны 1 прекращают. Далее приступают к извлечению устройства из скважины.

Проведенные стендовые испытания устройства подтвердили, что оно способно эффективно выправлять смятую обсадную колонну 6, даже в том случае, когда внутренний проходной диаметр последней уменьшился до 0,75 номинального значения.

Источники информации:

1. Кукьян А.А., Мелехин А.А. и Плотников В.М. Реконструкция и восстановление скважин. Пермь, изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 2015, с. 22.

2. А.с. СССР №1663180, Е21В 29/10, опубл. 15.07.1991.

3. Патент РФ №2263762, Е21В 29/10, опубл. 10.11.2005.

4. А.с. СССР №1745874, Е21В 29/10, опубл. 07.07.1992.

Claims (1)

1. Устройство для выправления смятой обсадной колонны, включающее толкатель, верхняя часть которого имеет форму цилиндра, а нижняя - форму усеченного конуса, обращенного своим большим основанием к цилиндру, соосно связанный с верхним концом толкателя переходник в форме полого цилиндра с внутренней резьбой на верхнем конце для присоединения к бурильной колонне, соосно расположенный снаружи нижней части толкателя узел размещения раскатывающих шаров в форме полого усеченного конуса, обращенного большим основанием вверх, в боковой стенке которого выполнены сквозные радиальные каналы, а наружная и внутренняя боковые поверхности соосны и имеют конусность, равную конусности нижней части толкателя, и раскатывающие шары, размещенные в сквозных радиальных каналах с возможностью вращения и осевого перемещения, отличающееся тем, что оно снабжено направляющим патрубком, упорным подшипником с верхней и нижней обоймами, опорной втулкой, регулировочной шайбой и цилиндрической пружиной сжатия, причем узел размещения раскатывающих шаров разделен поперечными разрезами на несущие и переходную секции, при этом толкатель выполнен с центральным осевым каналом, а нижний конец переходника - с внутренней присоединительной резьбой, причем верхняя и нижняя части наружной боковой поверхности толкателя разделены между собой ступенчатым кольцевым буртиком, при этом наружный диаметр верхней части толкателя больше максимального наружного диаметра его нижней части, а сквозные радиальные каналы, выполненные в несущих и переходной секциях, расположены равномерно по окружности в плоскости, перпендикулярной по отношению к центральной оси секции, причем направляющий патрубок соосно присоединен к нижнему концу толкателя, при этом несущие и переходная секции, упорный подшипник, опорная втулка и регулировочная шайба последовательно размещены снаружи нижней части толкателя с возможностью осевого перемещения относительно него, причем нижняя несущая секция имеет возможность взаимодействия с направляющим патрубком, а регулировочная шайба - со ступенчатым кольцевым буртиком, причем опорная втулка имеет форму полого цилиндра с днищем, в котором выполнен центральный осевой канал для размещения толкателя, при этом на днище выполнена наружная кольцевая проточка для размещения верхней обоймы упорного подшипника, а в верхней части переходной секции - ответная наружная кольцевая проточка для размещения нижней обоймы упорного подшипника, причем упорный подшипник соосно размещен между переходной секцией и опорной втулкой, а регулировочная шайба - внутри опорной втулки, причем цилиндрическая пружина сжатия размещена снаружи толкателя с возможностью осевого перемещения относительно него, при этом верхний конец цилиндрической пружины взаимодействует с муфтовым переводником, а нижний - с регулировочной шайбой, причем максимальный наружный диаметр нижней несущей секции не превышает наружного диаметра направляющего патрубка, при этом наружный диаметр регулировочной шайбы соответствует внутреннему диаметру опорной втулки, а внутренний диаметр регулировочной шайбы меньше наружного диаметра верхней части толкателя, но больше максимального наружного диаметра его нижней части.

Images