Устройства и приспособления для оснащения обсадных колонн

Оборудование низа обсадной колонны.В конструкцию низа об­садных колонн входят: башмачная направляющая пробка, баш­мак или короткий патрубок с боковыми отверстиями, обратные клапаны, упорное кольцо, кольца жесткости и турбулизаторы. Для эксплуатационных и промежуточных колонн в комплект обо­рудования их низа включаются также центрирующие фонари и скребки.

Башмачная направляющая пробка крепится к баш­маку обсадной колонны и служит направлением при ее спуске. При отсутствии направляющей пробки башмак колонны срезает со сте­нок скважины глинистую корку и породу. В результате сильно за­грязняется ствол скважины, закупоривается нижняя часть колон­ны, и последнюю нередко приходится поднимать из скважины из-за образования патронных сальников или невозможности прода­вить промывочную жидкость.

Применяют несколько типов направляющих пробок: деревян­ные, бетонные и чугунные (рис. 10.3).

Деревянные пробки бывают двух видов: крестообразные, изго­товляемые из 8... 10 см сосновых досок на гвоздях; точеные — из дерева крепких пород (дуба, ясеня и др.). Деревянные пробки плотно загоняют в башмак колонны и замачивают для более прочного соединения с ним. Крестообразные пробки из-за недостаточной прочности и ряда конструктивных недостатков можно применять только при спуске кондукторов диаметром 377 мм и выше на не­большую глубину.

а б в г

Рис. 10.3. Башмачные направляющие пробки: а — деревянная; б — бетонная; в — чугунная; г — стальная «паук»; 7 — башмак

Бетонные пробки отливают в специальной форме, смесь проч­но прихватывается к башмаку. Такие пробки легко разбуриваются. Широкое применение нашли чугунные пробки. Они имеют одно центральное и два боковых отверстия. В башмаке они крепятся на резьбе. Чугунные пробки обладают высокой механической проч­ностью и в то же время сравнительно легко разбуриваются.

В некоторых случаях при спуске эксплуатационных колонн или хвостовиков вместо башмака с направляющей пробкой обсадная колонна заканчивается «пауком».

Башмак колонны устанавливается на первой трубе для предупреждения смятия торца нижней трубы обсадной колонны при спуске в скважину и представляет собой толстую короткую (0,5 м) трубу. Наружный диаметр башмака равен диаметру муфты, а внутренний — внутреннему диаметру обсадной трубы.

При спуске обсадных колонн секциями на первой трубе второй и последующих секций вместо башмака устанавливается патрубок с боковыми отверстиями для пропуска бурового и цементного ра­створов.

Обратные клапаны выполняют следующие функции:

предотвращают самозаполнение обсадной колонны буровым раствором при спуске ее в скважину, что в конечном счете умень­шает нагрузку на вышку;

препятствуют обратному перетоку цементного раствора, из коль­цевого пространства в обсадную колонну.

Наиболее распространен и прост тарельчатый клапан (рис. 10.4), который состоит из седла клапана 3, ввинчиваемого в муфту, та­релки 4, стержня 1 и пружины 2. Пружину затягивают при помощи гайки и контргайки.

Используются также шаровые и дроссельные обратные клапа­ны (рис. 10.5). Обратные клапаны устанавливаются на расстоянии

2...12 м от башмака. При спуске об­садных колонн значительной длины или хвостовиков (первых секций при секционном спуске) устанавливаются два обратных клапана на расстоянии 8... 12 м друг от друга. В скважинах с воз­можными газопроявлениями обратные клапаны устанавливают вне зависимо­сти от глубины спуска колонны во из­бежание газового выброса через колон­ну в процессе ее спуска и цементиро­вания. Обратный клапан перед спуском в скважину спрессовывают на давле­ние, в 1,5 раза превышающее его ра­бочее давление.

Так как обсадную колонну с обрат­ным клапаном спускают порожней, то периодически (через 100...200 м) сле­дует доливать ее буровым раствором. Если этого не делать, наружное давле­ние может достигнуть критической ве­личины, угрожающей или смятию колон­ны, или прорыву обратного клапана.

Упорное кольцо (кольцо «стоп») устанавливается для четкого

фиксирования окончания процесса цементирования над обрат­ным клапаном (на расстоянии 6... 12 м). При спуске колонн на муфтовых соединениях упорное кольцо устанавливается в специ­альной удлиненной муфте, а в случае применения сварных ко­лонн — ввинчивается в резьбу, нарезанную внутри обсадной тру­бы на расстоянии 30...40 мм от ее торца.

Упорное кольцо изготавливается из чугуна в виде шайбы тол­щиной 12... 15 мм; диаметр отверстия делается на 60... 75 мм мень­ше наружного. В некоторых случаях упорное кольцо имеет не одно отверстие, а два или четыре.

Кольца жесткости рекомендуется устанавливать на кон­дукторы и промежуточные колонны. Для усиления нижней части обсадной колонны и повышения прочности соединения на ниж­ние 4...5 труб одеваются короткие (100...200 мм) патрубки и зак­репляются под соединительными муфтами и над ними электро­сваркой. Изготавливаются они, обычно, из обсадных труб после­дующего за данной обсадной колонной размера или из предохра­нительных колец для ниппелей обсадных труб.

Турбулизаторы способствуют лучшему замещению бу­рового раствора цементным. Турбулизатор состоит из корпуса, неподвижно закрепляемого на обсадной трубе, с упругими (обыч-

но резиновыми) лопастями, наклоненными под углом 30...50° к образующей оси. Лопасти изменяют направление восходящего потока промывочной жидкости и цементного раствора, способ­ствуют образованию местных вихрей и разрушению структуры в застойных зонах. Турбулизаторы целесообразно устанавливать в интервалах недостаточно хорошего центрирования колонны со сложной конфигурацией сечения ствола скважины, а также на участках с не очень большими кавернами.

Центрирующие фонари (центрахоры) значительно улучшают вытеснение бурового раствора. Если обсадная колонна не отцентрирована в скважине, то цементный раствор не вытес­няет буровой по всей площади кольца, а оставляет застойные зоны бурового раствора. Центрирующий фонарь (центратор) представляет собой устройство, центрирующее обсадную колонну в скважине, способствуя, таким образом, образованию более равномерного цементного кольца вокруг колонны.

Применяют центрирующие фонари (центраторы) двух видов: пружинные разборные и жесткие неразборные. Наибольшее приме­нение в нашей стране нашли пру­жинные центраторы (рис. 10.6).

Фонарь (центратор) этой кон­струкции состоит из двух колец 2, к которым электросваркой прива­рено пять или шесть специально изогнутых планок 4, изготовленных из рессорной стали. Фонарь свобод­но надевается на обсадную трубу 7 и удерживается на ней упорным кольцом 5, которое устанавливают между кольцами фонаря 2, и через имеющиеся в теле три-четыре от­верстия 3 приваривают электро­сваркой к обсадной трубе.

Наружный диаметр фонаря дол­жен быть на 50 мм больше диамет­ра долота, которым бурили сква­жину. Если скважина имеет кривиз­ну до 3° и не имеет каверн, допус­кается применение фонарей, диа­метром меньше диаметра долота, но не более чем на 30 мм. Число фонарей на спускаемой обсадной колонне в каждом конкретном слу­чае определяют мощностью интер­вала, в котором необходимо надеж-

но разобщить пласты. Но следу­ет иметь в виду, что должно быть не менее двух направляющих фонаря над продуктивным го­ризонтом и столько же под ним. Размещать фонари следует рав­номерно в местах, где каверно-грамма показывает отсутствие увеличения ствола скважины.

Скребки (рис. 10.7) при­меняют для удаления со стенок скважины фильтрационной гли-

нистой корки при спуске обсадной колонны. Их устанавливают на тех же участках обсадной колонны, что и центрирующие фо­нари (центраторы). Наибольший эффект получается при совме­стном применении скребков и центраторов.

Пакеры, устанавливаемые на обсадной колонне.В целом ряде случаев устройств и приспособлений для оснащения низа обсад­ной колонны, рассмотренных выше, оказывается недостаточно для получения качественной изоляции нефтегазоносных пластов от во­доносных. Если они разделены небольшими (не более 6... 8 м) про-пластками, то оставшиеся в зоне этих пропластков непрочные гли­нистые включения (корка, пленка, пристенный увлажненный слой глинистой породы) могут быть прорваны под действием перепада давления. Кроме того, при наличии в смежных зонах значительной по толщине фильтрационной корки на стенке скважины умень­шается жесткость связи колонны с горными породами и может нарушаться целостность малой цементной перемычки под действи­ем даже небольших ударных нагрузок, вызываемых перфорацией эксплуатационной колонны (условия некоторых месторождений Тюменской области).

Для обеспечения надежного крепления скважины в указан­ных выше интервалах используется избирательный метод изоля­ции пластов. Суть этого метода заключается в том, что обсадная

колонна в этих интервалах до­полнительно к перечисленным выше устройствам и приспо­соблениям оснащается пакера-ми или специальным инстру­ментом, обеспечивающим ее надежное крепление в этом ин­тервале. Наиболее радикальным средством улучшения изоляции пластов в строго заданных ин­тервалах заколонного простран­ства скважины является приме-

нение заколонных пакеров. ВНИИБТ последовательно разрабо­таны заколонные проходные пакеры типа ППГ, ПК и ГГП.

В качестве примера рассмотрим пакер типа ППГ (рис. 10.8). На обсадной колонне может быть установлено любое необходимое число этих пакеров. Пакеры после срабатыва­ния не перекрывают проходного канала об­садной колонны и не сужают его. Пакер типа ППГ состоит из двух основных узлов: рукав­ного уплотнителя и клапанного узла.

Рукавный уплотнитель состоит из корпу­са/и резинотканевого уплотнительного эле­мента рукавного типа 2 с обжимными стака­нами 3. В теле корпуса выполнены каналы Б для подачи жидкости в кольцевую (рабочую) полость А между корпусом и уплотнительным элементом.

Клапанный узел включает в себя корпус 1 патрубок 4, в котором установлены диффе­ренциальная втулка 5 и дополнительные эле­менты: сменный срезной винт, пружинный фиксатор, резиновая перепускная манжета 6 одностороннего действия, защитная втулка 7 со срезными полыми штифтами 8. Пакер присоединяют к обсадной колонне с помо­щью переводника 9.

Пакер срабатывает следующим образом. При прохождении цементировочной пробки через пакер срезаются штифты 8, установ­ленные в защитной втулке 7, образуя канал для передачи давления из полости обсадной колонны на дифференциальную втулку 5. Таким образом, клапанный узел подготавли­вается к срабатыванию. При создании в об­садной колонне заданного давления после окончания продавки тампонажной смеси сре­зается винт из алюминиевого сплава, соеди­няющий дифференциальную втулку 5 с кор­пусом клапанного узла, и втулка 5 переме­щается вверх (прямой ход).

Перемещением дифференциальной втул­ки 5 обеспечивается соединение кольцевой полости А рукавного уплотнителя через ка­налы Б и радиальные отверстия В с полос­тью обсадной колонны. Жидкость из обсад­ной колонны отгибает манжету б клапанного узла, поступает в полость уплотнительного

рукава и происходит запакеровка затрубного пространства. Затем избыточное давление в цементировочной головке снижают. При этом на манжету 6 клапанного узла начинает действовать избы­точное давление со стороны рукавного уплотнителя. В результате дифференциальная втулка 5 возвращается в исходное положение (обратный ход). Пружинным фиксатором дифференциальная втул­ка 5 жестко закрепляется в конечном положении.

Рис. 10.9. Устройство для спуска колонн секциями:

а — соединение первой секции с бу­рильными трубами; б — соединение двух секций; 1 — обсадная труба; 2 — специальная муфта; 3 — пере­водник с левой резьбой; 4 — верх­няя часть специальной муфты; 5 — переводник на бурильные трубы; 6 —-предохранительная втулка; 7 — бу­рильная труба; 8 — уплотнительная муфта; 9 — башмачный патрубок; 10 — направляющая пробка

Оборудование верхней части обсадной колонны.В зависимости от способа спуска обсадных колонн в скважину верхняя часть колонны оканчивается следующими устройствами или приспособлениями:

для спуска колонн секциями или хвостовиков;

подвески секций или хвостовиков.

При секционном спуске промежуточных и эксплуатационных колонн можно применять различные устройства, обеспечивающие требуемую герметичность сочленения секций (рис. 10.9).

Во избежание деформации от собственной массы секций обсад­ных колонн или хвостовиков после их разгрузки на забой, напряже­ний кручения при отвороте колонны бурильных труб и создания необходимой устойчивости колонны ее следует подвешивать либо на цементный камень, либо на нижнюю часть предыдущей колон­ны или воронку предыдущего хвостовика. Для выполнения этих задач используются различные устройства, устанавливаемые в вер­хней части опускаемой колонны.

В качестве примера рассмотрим устройство для подвески сек­ции на воронке предыдущего хвостовика (рис. 10.10). При нали­чии в конструкции скважины хвостовика нижней секции экс­плуатационной колонны подвеска осуществляется на его воронке. Для этого используется специальная муфта (см. рис. 10.9) с до­полнительным включением трех клиньев, закрепляемых под уг­лом 120° друг к другу в нижней части специальной муфты. Размер этих клиньев на 10... 12 мм больше диаметра уплотнительной муф­ты, необходимой для возможного соединения предыдущего хво­стовика с верхней его частью.

Подвеска может осуществляться перед цементированием сек­ции и после цементирования. Наличие трех каналов между ворон­кой хвостовика и нижней частью специальной муфты эксплуата­ционной колонны позволяет вести промывку скважины в процес­се цементирования в подвешенном состоянии нижней секции экс­плуатационной колонны.