RU46296U1 - Муфта для цементирования обсадных колонн - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может использоваться при строительстве скважин для цементирования обсадных колонн или хвостовиков. Задачей, решаемой полезной моделью, является повышение надежности цементирования обсадных колонн. Сущность полезной модели: муфта включает корпус с циркуляционными отверстиями, в котором установлена подвижная дифференциальная втулка, перекрывающая циркуляционные отверстия корпуса и зафиксированная относительно последнего срезным штифтом. С нижним концом дифференциальной втулки левой резьбой соединен фиксатор, выполненный в виде цилиндрической втулки с выступами в нижней части. Выступы взаимодействуют с пазами, выполненными в нижней части корпуса. Выступы фиксатора и пазы корпуса выполнены в виде подвижного относительно продольной оси корпуса шлицевого соединения. Длина пазов больше величины перемещения дифференциальной втулки от ее исходного положения до крайнего верхнего положения. На наружной цилиндрической поверхности фиксатора над выступами неподвижно установлен кольцевой уплотнительный элемент, выполненный в виде манжеты V-образного сечения из эластичного материала.

Description

Муфта для цементирования обсадных колонн

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может использоваться при строительстве скважин для цементирования обсадных колонн или хвостовиков.

Известен цементировочный клапан «СЕСМНЕК Valve» фирмы Baker Oil Tools (рекламный каталог «Baker Hughes company»), включающий:

- цилиндрический корпус с циркуляционными отверстиями,

- в котором концентрично и неподвижно установлена цилиндрическая втулка с циркуляционными отверстиями, образующая своей наружной поверхностью с внутренней поверхностью корпуса кольцевую цилиндрическую полость;

- в которой установлен с возможностью перемещения кольцевой поршень, перекрывающий циркуляционные отверстия корпуса и соединенный с корпусом срезными штифтами,

- причем на втулке установлен рукав из эластичного материала, перекрывающий циркуляционные отверстия втулки.

Недостатком известного цементировочного клапана является низкая надежность работы, обусловленная:

- возможностью заклинки кольцевого поршня в кольцевой полости ввиду попадания раствора в эту полость и осадка твердой фазы под поршнем, что приведет к невозможности перемещения последнего, вследствие чего не будут открыты циркуляционные отверстия корпуса и не будет осуществлена циркуляция цементного раствора, в результате чего процесс цементирования обсадной колонны не будет осуществлен;

- возможностью попадания и заклинки достаточно больших кусков твердой фазы цементного раствора в зазоре между рукавом и наружной поверхностью втулки, что будет препятствовать как возврату рукава в исходное положение, так и перекрытию циркуляционных отверстий втулки. В результате этого полость известного клапана по окончании прокачки цементного раствора будет гидравлически сообщаться со стволом скважины, из-за чего возможен обратный переток цементного раствора из скважины в полость клапана, а затем в колонну бурильных труб, вследствие чего процесс цементирования обсадной колонны не будет осуществлен в полной мере.

Кроме того, известный цементировочный клапан обладает ограниченными эксплуатационными возможностями, так как величина диаметра внутреннего канала уменьшена по сравнению с обсадной колонной ввиду необходимости размещения в нем следующих элементов клапана: стенки корпуса, зазора, стенки эластичного рукава и стенки цилиндрической втулки. Тем самым, уменьшается внутренний канал клапана, что не обеспечивает равнопроходности обсадной колонны и ограничивает наружный диаметр скважинных инструментов, спускаемых при эксплуатации или ремонте.

Известна муфта для ступенчатого цементирования (патент RU №2 132 449 С1, МПК⁶ Е 21 В 33/14, опубл. 27.06.1999), включающая:

- корпус с циркуляционными отверстиями,

- в котором установлена подвижная дифференциальная втулка, перекрывающая циркуляционные отверстия корпуса и зафиксированная относительно последнего срезным штифтом;

- соединенное левой резьбой с нижним концом дифференциальной втулки посадочное седло, на нижнем торце которого выполнены выступы, взаимодействующие с торцовыми пазами, выполненными в нижней части корпуса;

- и взаимодействующую с посадочным седлом цементировочную пробку, в полости которой выполнена воздушная камера, закрытая срезным днищем.

Недостатком известной цементировочной муфты является низкая надежность работы, обусловленная следующим:

- невозвращением дифференциальной втулки в исходное положение после посадки в ее седло цементировочной пробки, вследствие того, что торцовые выступы седла при его перемещении вниз могут не войти в торцовые пазы корпуса. Это может произойти из-за возможного проворота дифференциальной втулки и седла в процессе промывки для смывки цементного раствора первой ступени и прокачки цементного раствора второй ступени. Проворот на некоторый угол возможен завихрениями струй прокачиваемых жидкостей ввиду турбулентного режима их движения, возникающему вследствие нестационарности нагнетания жидкостей, при которой будут изменяться во времени плотность прокачиваемых жидкостей, производительность нагнетания, давление и скорость истечения. В данной ситуации, дифференциальная втулка остановится выше, не дойдя до исходного нижнего положения, и не перекроет циркуляционные отверстия корпуса, что вызовет обратный переток цементного раствора в полость нижней ступени обсадной колонны, недоподъем цементного раствора и некачественное цементирование второй ступени обсадной колонны;

- возможностью потери герметичности и заполнения воздушной камеры цементировочной пробки жидкостью при ее спуске. Это не позволит переместить дифференциальную втулку вниз в исходное положение после посадки цементировочной пробки в ее седло ввиду того, что жидкости практически несжимаемы, а заполненная жидкостью воздушная камера не сможет обеспечить переток жидкости из-под дифференциальной втулки в воздушную камеру, чтобы компенсировать объем ее перемещения вниз. Последствия такой ситуации аналогичны рассмотренной выше;

- в случае остановки или прерывания процесса продавки цементного раствора из-за неисправности насоса, отключения электроэнергии и т.п. цементный раствор из скважины, ввиду перепада давлений из-за разницы удельных весов жидкостей в скважине и обсадной колонне, будет перетекать обратно в обсадную колонну. Это при достаточно продолжительной остановке чревато возможной аварией в виде прихвата обсадной колонны или затвердевания раствора в обсадной колонне.

Задачей создания полезной модели является повышение надежности цементирования обсадных колонн.

Для обеспечения этих результатов в известной муфте для цементирования обсадных колонн, включающей

- корпус с циркуляционными отверстиями,

- в котором установлена подвижная дифференциальная втулка, перекрывающая циркуляционные отверстия корпуса и зафиксированная относительно последнего срезным штифтом;

- соединенный левой резьбой с нижним концом дифференциальной втулки фиксатор, выполненный в виде цилиндрической втулки, в нижней части которой выполнены выступы, взаимодействующие с пазами, выполненными в нижней части корпуса;

СОГЛАСНО ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ,

- фиксатор дополнительно снабжен кольцевым уплотнительным элементом в виде манжеты V-образного сечения из эластичного материала, неподвижно установленным на его наружной цилиндрической поверхности над выступами;

- выступы фиксатора и пазы корпуса выполнены в виде подвижного относительно продольной оси корпуса шлицевого соединения;

- причем длина пазов больше величины перемещения дифференциальной втулки от ее исходного положения до крайнего верхнего положения.

На фиг.1 изображена заявляемая цементировочная муфта в исходном положении перед спуском в скважину (дифференциальная втулка находится в крайнем нижнем положении), на фиг.2 изображена заявляемая цементировочная муфта в рабочем положении при прокачке цементного раствора (дифференциальная втулка - в крайнем верхнем положении), на фиг.3 - разрез А-А на фиг.1,

Заявляемая цементировочная муфта (фиг.1) содержит составной корпус 1, состоящий из верхней 2 и нижней 3 секций. В верхней секции 2 выполнены верхняя 4 и нижняя 5 расточки, в которых установлена с возможностью продольного перемещения дифференциальная втулка 6, в исходном положении перекрывающая сквозные циркуляционные отверстия 7, выполненные в стенке нижней расточки 5. К нижней части дифференциальной втулки 6 на левой резьбе 8 присоединен фиксатор 9, выполненный в виде цилиндрической втулки из легко разбуриваемого материала, на наружной поверхности которой неподвижно установлен уплотнительный элемент 10, выполненный в виде манжеты V-образного сечения из эластичного материала, упруго взаимодействующей с нижней расточкой 5 верхней секции 2 корпуса 1. Это обеспечивает циркуляцию жидкости из обсадной колонны в скважину и исключает ее обратный переток из скважины в обсадную колонну.

Под уплотнительным элементом 10 на наружной поверхности фиксатора 9 выполнены выступы 11, взаимодействующие с пазами 12, выполненными на внутренней цилиндрической поверхности нижней секции 3 корпуса 1. Выступы 11 и пазы 12 образуют продольное шлицевое соединение 13 фиксатора 9 с нижней частью 3 корпуса 1, причем ширина пазов 12 превышает ширину выступов 11, благодаря чему между ними имеются зазоры 14, обеспечивающие возможность циркуляции жидкости из полости заявляемой цементировочной муфты в ствол скважины (не показана). При этом длина В пазов 12 больше величины перемещения С дифференциальной втулки 6 и фиксатора 9 из крайнего нижнего положения в крайнее верхнее положение, благодаря чему обеспечивается постоянное взаимодействие выступов 11 и пазов 12 в шлицевом соединении 13.

Герметизация дифференциальной втулки 6 в расточках 4 и 5 осуществляется уплотнительными кольцами 15, а фиксация дифференциальной втулки б относительно верхней секции 3 осуществляется срезным штифтом 16.

Заявляемая цементировочная муфта работает следующим образом. В положении, показанном на фиг.1. цементировочная муфта устанавливается в нижней части компоновки цементируемой обсадной колонны (не показана) между расположенным выше стоп-кольцом, на которое

устанавливается спускаемая разделительная продавочная пробка, и расположенным ниже посадочным седлом для сбросового шара (не показаны).

В процессе спуска обсадной колонны жидкость из скважины беспрепятственно заполняет полость обсадной колонны через отверстие посадочного седла, полости нижней секции 3, фиксатора 9, дифференциальной втулки 6 и верхней секции 2. После спуска в заданный интервал в обсадную колонну спускают сбросовый шар и после посадки его в посадочное седло, установленное ниже заявляемой цементировочной муфты, на поверхности включают насос (не показан), нагнетая в обсадную колонну буферную жидкость и необходимый объем цементного раствора. Поскольку отверстие посадочного седла перекрыто сбросовым шаром, в обсадной колонне начнет возрастать давление, при некоторой величине которого усилием, возникающим на дифференциальной втулке, будет срезан штифт 16, и дифференциальная втулка 6 с фиксатором 9 переместится вверх (фиг.2). В результате этого будут открыты циркуляционные отверстия 7 в верхней секции 2 корпуса 1.

При этом жидкость из обсадной колонны под избыточным (по сравнению с давлением в скважине) давлением, через полости верхней секции 2, дифференциальной втулки 6, фиксатора 9 и нижней секции 3, зазоры 14 между пазами 12 и выступами 11 шлицевого соединения 13, будет поступать в нижнюю расточку 5, откуда через циркуляционные отверстия 7 будет нагнетаться в скважину. Установленное на фиксаторе 9 над выступами 11 эластичное манжетное уплотнение 10, упруго деформируясь, образует кольцевой канал в нижней расточке 5 и обеспечит переток жидкости в скважину.

Момент среза штифтов 16 и перемещения дифференциальной втулки 6 с фиксатором 9 вверх с открытием циркуляционных отверстий 7 и начало перетока жидкости в скважину будет фиксироваться на поверхности скачком давления на манометре, установленном на нагнетательной линии (не показаны).

По окончании процесса цементирования, что будет фиксироваться скачком давления на поверхности в момент посадки разделительной продавочной пробки на стоп-кольцо, выключают насос, прекращая нагнетание жидкости в обсадную колонну и уменьшая давление внутри обсадной колонны до атмосферного. При этом эластичное манжетное уплотнение 10, упруго деформируясь, примет исходную форму, перекрыв тем самым кольцевой канал в расточке 5. Усилием от разности давлений в скважине и полости обсадной колонны, а, следовательно, и заявляемой муфты, обеспечиваемой превышением удельного веса столба цементного раствора, находящегося в скважине, над удельным весом продавочной жидкости, находящейся в обсадной колонне, произойдет перемещение дифференциальной втулки 6 с фиксатором 9 в исходное положение. Вследствие этого циркуляционные отверстия 7 верхней секции 2 будут перекрыты (фиг.1.).

По окончании процесса ОЗЦ фиксатор 9, изготовленный из легко разбуриваемого материала, разбуривается, что осуществляется благодаря постоянному взаимодействию между выступами 11 и пазами 12, обеспечивающими фиксацию дифференциальной втулки 6 с фиксатором 9 от проворота в процессе разбуривания.

В случае остановки или прерывания процесса продавки цементного раствора из-за неисправности насоса, отключения электроэнергии и т.п., цементный раствор из скважины не будет перетекать обратно в полость заявляемой муфты. При прекращении циркуляции жидкости эластичное манжетное уплотнение 10, упруго деформируясь, примет исходную форму и сразу же перекрое кольцевой канал в расточке 5. Тем самым, по сравнению с прототипом, исключается возможность аварии в процессе цементирования.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемая муфта для цементирования обсадных колонн обладает большей надежностью работы, ввиду того что:

- благодаря выполнению пазов корпуса и выступов фиксатора продольными в виде шлицевого соединения и длине их взаимодействия, превышающей величину перемещения дифференциальной втулки, исключается проворот дифференциальной втулки при циркуляции жидкости и обеспечивается гарантированный возврат дифференциальной втулки в исходное положение с перекрытием циркуляционных отверстий корпуса, что исключает обратный переток цементного раствора;

- благодаря дополнительному снабжению фиксатора кольцевым уплотнительным элементом виде манжеты V-образного сечения из эластичного материала, неподвижно установленным на его наружной цилиндрической поверхности над выступами, обеспечивается односторонняя, из обсадной колонны в скважину, циркуляция жидкости и гарантированно исключается ее обратный переток из скважины в обсадную колонну.

Перечисленные обстоятельства обеспечивают суммарный положительный эффект в виде повышения надежности цементирования обсадных колонн.

Claims (1)

1. Муфта для цементирования обсадных колонн, включающая корпус с циркуляционными отверстиями, в котором установлена подвижная дифференциальная втулка, перекрывающая циркуляционные отверстия корпуса и зафиксированная относительно последнего срезным штифтом; соединенный левой резьбой с нижним концом дифференциальной втулки фиксатор, выполненный в виде цилиндрической втулки, в нижней части которой выполнены выступы, взаимодействующие с пазами, выполненными в нижней части корпуса; отличающаяся тем, что фиксатор дополнительно снабжен кольцевым уплотнительным элементом в виде манжеты V-образного сечения из эластичного материала, неподвижно установленным на его наружной цилиндрической поверхности над выступами; выступы фиксатора и пазы корпуса выполнены в виде подвижного относительно продольной оси корпуса шлицевого соединения, причем длина пазов больше величины перемещения дифференциальной втулки от ее исходного положения до крайнего верхнего положения.