Устройство для герметизации затрубного пространства на устье скважины

(71) Пермский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности(73) Пермский государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАТРУБНОГО ПРОСТРАНСТВА НА УСТЬЕ СКВАЖИНЫ(57) Изобретение относится к горной промыааенности. Цель - повышение надежности работы устройства путем обеспечения возможности регулирования степени герметизации затрубного пространства скважины На верхнем конце обсадной коКомитет Российской Фсдерацтн по патентам н товарньзм зпакаъ л 9) БЩ лц 2 К 6243 С 2 (5 Ц панны установлена посадочная муфта (ПМ) 1 с конусной внутренней опорной поверхностью Между бурильной колонной и ведущей бурильной трубой размещена несущая труба (НС) 3 На ней коаксиапьно установлены герметизирующий элемент (ГЭ) 4, упорные верхняя и нижняя 6 втулки. Нижняя втулка 6 размещена на НС 3 с возможностью осевого перемещения и взаимодействия со смежным с ней замковым соединением 8. Верхний конец НС 3 выполнен с резьбовым соединением 7 дпя связи с ведущей бурильной трубок После установки на обсадной колонне ПМ 1 в скважину спускают колонну бурильных труб. Ее верхний конец соединяют с НС 3. а последнюю - с ведущей трубой. При опускании НС 3 происходит взаимодействие нижней втулки 6 с ПМ 1 и сжатие ГЭ 4. С 1 епень сжатия ГЭ 4 регулируется величиной нагрузки на сллреннюю опорную поверхность ПМ 1. 1 ип10 15 20 25 30 35 40 45 50 Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для герметизации затрубного пространства бурящейся скважины, и предназначается для использования при ликвидации поглощений промывочной жидкости, изоляции водопритоков и при подготовке ствола скважины к цементированию, а также может быть использовано при проведении ремонтно-изоляционных работ в скважинах, законченных строительством, при производстве гидрораэрывов пласта и т.п. работах.Известно устройство для герметизации скважины, содержащее корпус с крышкой, полый яжимцой поршень внутри корпуса и установленное над цим эластичное уплотнение под трубы, снабженное патрубком и эластичной манжетой, жестко связанными с полым поршнем, при этом верхний конец манжеты связан жестко с корпусом, а нижний - с патрубксм. Устройство устанавливается на устье скважины и фиксируется при помощи опор. Через опору подается сжатый воздух. Воздух, поступая под давлением во внутренц ою полость устройства. действует ца полый цажимной поршен, контактирующий внутренней коцической поверхностью с эластичным уплотнением, и перемещает их вверх, сжимая при этом пружину и эластичное уплотнение, Последнее, перемещаясь в радиальном направлении, герметиэирует и удерживает трубопровод в скважине, Так как к полому поршню прикреплен патрубок, к нижнему концу которого при помощи концевой арматуры закреплена эластичная пакерная манжета, то полый поршень, перемещаясь вверх, увлекает за собой патрубок, заставляя эластичную пакерцую манжету изгибаться в сторону стенок скважины. Воздух одновременно воздействует нэ внутреннюю поверхность эластичной пакерной манжеты и прижимает ее к стенкам скважины,Таким образом, скважина полностью герметизируется и в нее можно по трубопроводу производить закачку жидкости или газа,Однако известное устройство может быть использовано только при низких давлениях нагнетания рабочего агента в скважину. При высоких давлениях известное устройство будет перемещаться вверх по стволу скважины под воздействием создаваемого избыточного давления, так как сил трения эластичной манжеты о стенки скважины при известных технических возможностях бурового комп рессора недостаточно для удерживания устройства в одном положении. Это не обеспечивает герметичность скважины и работу по закачке флюидов при высоких избыточных давлениях, возникающих при опрессовке скважины и производстве изоляцион ных работ.Кроме того, известное устройство используется только в необсаженном сгволе скважины, а в случае использования его в обсадной колонне необходимо производить работы по переоборудованию устья скважины перед каждым применением устройства.К тому же, известное устройство имеет пневматический привод, что приводит к необходимости иметь еще и компрессор.Известно также устройство для герметизации затрубного пространства бурящейся скважины, содержащее ведущую трубу с замковым переходником и стакан с пакетом уплотняющих пластин, установленный на основании. Наружная поверхность стакана в месте контакта с основанием выполнена сферической, а внутренняя поверхность основания - конической с углом конусности 1-7 О, Ведущая труба проходит внутри пакета уплотняющих пластин и соединена с замковым переходником. На ведущей трубе на верхнем уровне стакана выполнено утолщение, диаметр которого больше внутреннего диаметра пакета уплотняющих пластин,В начале бурения ведущая труба со стаканом и пакетом уплотняющих пластин подаются к устью скважины, Сферическая и коническая поверхности стакана и основания взаимодействуют и заклиниваются. Ведущая труба опускается. и ее утолщение проходит через пакет уплотняющих пластин, при этом сила трения в уплотнении возрастает, что увеличивает степень заклинивания стакана в основании и повышает надежность работы известного устройства,Однако известное устройство обеспечивает непродолжительную в течение эксплуатации устройства герметизацию затрубного пространства бурящейся скважины и только в диапазоне низких давлений нагнетания рабочего агента,ФЭто происходит из-за того, что при высоких давлениях нагнетания рабочего агента не обеспечивается необходимая герметичность сферической поверхности стакана в конической поверхности основания, так как несмотря на заклинивание стакана в основании во время прохождения через пакет уплотняющих пласгин утолщения на ведущей трубе при ее опускании, все остальное время герметичность з 1 ого узла остается в зависимости только гп неменяющегося веса стакана с его цдкг 1 ом уплотняющих пластин,К тому же герметичцос 1 ь в мес ге взаимодействия конической пьч. н,1 и осцо 2001243вания со сферической поверхностью стакана в условиях ведения работ на скважине кдк при низких, так и высоких давлениях нагнетания рабочего агента быстро нарушается иэ-за неизбежного попадания в зону взаимодействия этих поверхностей твердых механических примесей, ударов этих поверхностей при наращивании бурильных труб и т,п.Все это снижает эксплуатационную надежность устройства.Целью изобретения является повышение эксплуатационной надежности устройства путем обеспечения герметичности в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента эа счет передачи части или полного веса колонны бурильных труб на опорную поверхность гнезда основания и регулирования тем самым степени сжатия герметизирующего элемента устройства.Цель достигается тем, что в известном устройстве для герметизации эатрубного пространства бурящейся скважины. включающем основание, выполненное в виде трубы с опорным внутренним гнездом, и соединеннуо с колонной бурильных труб несущую трубу с установленным на ней герметизирующим элементом, по торцам последнего установлены упорные втулки, зафиксированные закрепленными нд несущей трубе упорными ограничителями, выполненныл 1 и, например, в виде замковых соединений, при этом по крайней мере нижняя упорная втулка установлена с возможностью перемещения вдоль продольной оси несущей трубы, причем нижняя не сопряженная с упорным ограничителем часть нижней упорной втулки выполнена с опорной поверхностью, при этом несущая труба и установленный на ней герметизирующий элемент с упорными втулками размещены внутри основания, причем нижняя упорная втулка своей опорной поверхностью установлена в опорном внутреннем гнезде основания.В настоящее время ни из патентной и ни из научно-технической литературы неизвестны устройства для герметизации здтрубного пространства бурящейся скважины с предложенной совокупностью существенных признаков, которые обеспечивали бы герметичность в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента в скважину.Благодаря тому, что в заявляемом устройстве предложено с обоих торцов герметизирующего элемента установить на несущей трубе подвижные упорные втулки, здфиксированые закрепленными на несущей трубе упорными о рдничтелями, в совокупности с тем, что предложено также нанижней части нижней упорной втулки выполнить опорную поверхность для взаимодействия с опорной поверхностью5 внутреннего гнезда основания, и благодарятому, что при этом предложено соединенную с колонной бурильных труб несущуютрубу и установленный на ней герметизирующий элемент разместить внутри основа 10 ния, то в совокупности введенное в колоннубурильных труб предлагаемое устройствопри подвеске бурильной колонны на крюкеталевой системы буровой установки приопускании в скважину впервые дает воз 15 можность с помощью штатных контрольноизмерительных приборов буровойустановки, например индикатора веса, точно знать величину нагружения герметизирующего элемента и изменять величину такого20 нагружения от максимума. равного весувсей колонны бурильных труб, до минимума, обеспечивая в этом диапазоне нагружений герметизацию затрубногопрострднства скважины благодаря продоль 25 ному сжатию герметизирующего элементамежду верхней упорной втулкой, котораявместе с несущей трубой и соединенной сней всей колонной бурильных труб при нагружении двигается вниз по стволу скважи 30 ны, и между нижней упорной втулкой,которая своей опорной поверхностью опирается в опорное гнездо основания, а черезсвое внутреннее отверстие позволяет продольно перемещаться в низ ствола скважи 35 ны несущей трубе при нагружении.При этом благодаря укаэанным вышеконструктивным признакам диапазон нагружения герметизирующего элемента в заявляемом устройстве резко, не менее чем на40 порядок, возрастает по сравнению с прототипом, используя амортизирующие и прочностные пластические воэможностигерметизирующего элемента полностьюот минимума до возложно допустимой сте 45 пени ндгружения, чем и обеспечивается .надежная герметичность затрубного пространства скважины в любом требуемомдиапазоне давлений нагнетания рабочегоагента в скважину без подъема такого уст 50 ройства нд поверхность без замены его илидополнительной регулировки, Указанное иповышает эксплуатационную надежностьзаявляемого устройства по срдв ению спрототипом,55 На основании вышеизложенного заявляемое устройство отвечает критериям "новизна" и "существенные отличия".Нд чертеже изображено здявлч ее устройство в транспортном положении, гродольный разрез, 200124355 Устройство содержит посадочную муфту 1, выполненную в виде трубы с опорным внутренним гнездом 2, и соединенную с колонной бурильных труб(не показаны) несущую трубу 3 с установленным на ней герметизирующим элементом 4. Причем опорное внутреннее гнездо 2 может быть выполнено конусным, криволинейным или ,иной формы, По торцам герметизирующего элемента 4 установлены упорные втулки, верхняя 5 и нижняя 6, зафиксированные закрепленными на несущей трубе 3 упорными ограничителями, выполненными, например, в виде замковых соединений 7 и 8, при этом по крайней мере нижняя упорная втулка 6 установлена с вазможностью перемещения вдоль продольной оси несущей трубы 3, причем нижняя не сопряженная с упорным ограничителем 8 часть нижней упорной втулки 6 выполнена с опорной поверхностью. которая может повторять профиль опорной поверхности внутреннего гнезда 2 муфты 1. Несущая труба 3 и установленный на ней герметиэируюший элемент 4 с упорными втулками 5 и 6 размещены внутри муфты 1, ппичем нижняя упорная втулка 6 своей опорной поверхностью предназначена для установки в опорном внутреннем гнезде 2 муфты 1,Устройство работает следующим образом.В скважину спускают колонну бурильных труб на требуемую глубину. Далее ее верхний конец соединяют с заявляемым устройством посредством нижнего замкового соединения 8. Сверху устройство соединяют с ведущей бурильной трубой посредством верхнего замкового соединения 7, Вся компоновка, включая колонну бурильных труб, устройство и ведущую бурильную трубу, подвешивается на крюке талевой системы буровой установки. Затем перемещением компоновки вниз опускают устройство в муфту 1 до установки нижней упорной втулки 6 ее опорной поверхностью в опорное внутреннее гнездо 2 муфты 1.Несущая труба 3 под действием веса колонны бурильных труб перемещается вниз вместе с верхней упорной втулкой 5.Перемещаясь вниз, упорная втулка 5 производит продольное сжатие герметизирующего элемента 4, который нижним торцом упирается в нижнюю упорную втулку 6, Герметизирующий элемент 4. сжимаясь в осевом направлении и расширяясь в радиальном, перекрывает затрубное пространство бурящейся скважины, прижимаясь наружной поверхностью к внутренней поверхности муфты 1, а внутренней поверхностью к стволу несущей трубы 3, тем самым 5 1 О 15 20 25 30 35 40 45 50 обеспечивается герметизация здтрубного пространства бурящейся скважины.Контролируя с помощью штатных контрольно-измерительных приборов буровой установки, например с помощью индикатора веса, нагрузку на крюке, определяют нагрузку, действующую на опорное внутреннее гнездо муфты 1, т.е, определяют нагрузку, действующую на герметизирующий элемент 4 (степень его сжатия), Степень сжатия герметизирующего элемента 4 производят до величины, гарантирующей надежную герметизацию затрубного пространства скважины в зависимости от величины ожидаемого давления нагнетания рабочего агентд в скважину.После герметизации здгрубно,. пространства скважины с помощью устройства производят нагнетание рдбочего агента через несущую трубу 3 и колонну бурильных труб в ствол скважины,По окончании работы по нагнетанию рабочего агента в скважину устройство приподнимают, размыкая тем самым сопряженные поверхности опорного гнезда 2 и втулки 6, Благодаря упругим свойствам герметизируощий элемент 4 после снятия с него нагрузки принимает первоначальную форму и рдзгерметизирует тем самым затрубное пространство между несущей трубой 3 и муфтой 1. После этого устройство беспрепятственно извлекается из скважины,По сравнению с известным предлагаемое устройство позволяет получить следующие технические преимущества. Впервые обеспечивается герметичность здтрубного пространства скважины в любом требуемом диапазоне давлений нагнетания рабочего агента без переналадки устройства (от самых низких до самых высоких давлений), в то время как известное устройство по прототипу обеспечивает герметичность затрубного пространства только в заранее заданном интервале низких давлений нагнетания рабочего агента, т.е. диапазон надежной герметизации заявляемым устройством по величине давлений нагнетания рабочего агента в скважму не менее чем на порядок выше, чем у прототипа,Впервые обеспечивается возможность в зависимости от величины грпбуемого давления нагнетания рабочео агента точного регулирования степени сх;дич (величины нагружения) герметизирукш;си элемента УСТРОйСТВа, В та ВРЕМч а И НЕСтНОЕ ПО прототипу ус гройс Гво вон ч,имеет воз можности регулирпвд: н.+ ия гер. метиэируюшг о нн гн и2001243 Составитель В, БаяновТехред М.Моргентал Корректор Н.Ревскля Редактор Л. Волкова Тираж НПО "Поиск" Роспатента113035, Москва, Ж, Раушская Подписное Заказ 3119 наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина Н За счет обеспечения возможности точного регулирования степени сжатия герметизирующего элемента одновременно при герметизации затрубного пространства скважины устройство будет служить еще и как предохранительный клапан для стравливания могущего возникнуть излишне избыточного давления в затрубном пространстве скважины при нагнетании рабочего агента выше предельно допустимой величины, подключая тем самым вероятность возникновения аварийных ситуаций при проведении изоляционных работ.Общественно-полезные преимущества изобретения, производимые от техничеформула изобретения УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЗАТРУБНОГО пРОстРАнстВА НА Устье сквАжинь 1, включающее размещенную внутри обсадной колонны, имеющей посадочную муфту с конусной внутренней посадочной поверхностью, колонну труб, связанных между собой замковыми соединениями, несущую трубу с коаксиально установленными на ней герметиэирующим элементом, упорными нижней и верхней втулками, последняя ских, следующие: эа счет повышения эксплуатационной надежности устройства повышвегся эффективность изоляционных работ. значительно, не менее чем в 2-5 раэ 5 снижается вероятность повторных ремонтно-изоляционных работ; срок надежной работы устройства не менее чел. в 2-3 раза выше, чем у прототипа; за счет исключения повторных изоляционных работ сокращает ся расход трудовых и материальных затратне менее чем на 50; в целом время строительства скважин при использовании устройства сокращается на 1-3.(5 б) Авторское свидетельство СССР 15 М 768937, кл, Е 21 В 33/12, 1978,из которых установлена с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения и взаимодействия со смежным с ней замковым соединением, отличающееся тем, что посадочная муфта размещена 25 на верхнем конце обсадной колонны, причем верхний конец несущей трубы имеетрезьбовое .соединение для связи с ведущей бурильной трубой,