RU2728396C1 - Device for cementing of casing strings in complicated conditions - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.SUBSTANCE: invention relates to a device for casing string cementing in complicated conditions. Device for cementing casing strings in complicated conditions includes composite housing with upper and lower parts, channels for passage of mortars between upper and lower parts. Upper and lower parts of the body of the device are two separate inner cylinders – top and bottom with external thread, and channels for passage of mortars between upper and lower inner cylinders are made in the form of a rubber sleeve. Rubber hose is secured to upper and lower inner cylinders by gripping ends of rubber sleeve by upper and lower pressure cylinders with internal thread, respectively. On the lower end of the lower pressure cylinder and on the upper end of the upper pressure cylinder there are conic guide bores providing directed movement of the cement mortar inside the rubber sleeve with possibility of its expansion in the radial direction. Upper and lower inner cylinders have inner through grooves arranged along the circumference of cylinders through 90°. Bottom inner cylinder is secured to casing with help of clamping screws. Upper inner cylinder is in free state with possibility of movement along pipe axis downwards under action of hydrostatic liquid column after cementing.EFFECT: higher efficiency of cementing a casing string in a well.1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области строительства нефтяных скважин, а именно к устройствам для цементирования обсадной колонны в скважине с осложнениями, связанными с наличием больших каверн и поглощающих пластов.The invention relates to the field of construction of oil wells, namely to devices for cementing a casing in a well with complications associated with the presence of large cavities and absorbing formations.

Известно устройство для селективной изоляции продуктивного пласта при цементировании обсадных колонн (патент RU № 2584702, МПК Е21В 33/13, 33/14, опубл. 20.05.2016, бюл. № 14), содержащее корпус с пакерующими узлами на концах, четыре кожуха с байпасными каналами для пропуска тампонажной смеси, расположенные на корпусе по окружности через 90°С, и радиальные отверстия между ними, причем указанные кожухи выполнены сквозными, между ними расположены полые сектора, перекрытые пакерующими фланцами и ограниченные стенками соседних кожухов и стенкой корпуса, в которой выполнены радиальные отверстия, кроме того, внутри корпуса на кольцевом выступе установлена с возможностью поворота круговая заслонка с отверстиями, расположенными по отношению к отверстиям корпуса со сдвигом на 45°С, при этом на внутренней поверхности корпуса имеются выступы, на уровне которых на торцевой поверхности круговой заслонки расположены ответные выступы, имеющие возможность зацепления с планшайбой насосно-компрессорных труб для добычи пластового флюида.Known device for selective isolation of a productive formation when cementing casing strings (patent RU No. 2584702, IPC E21B 33/13, 33/14, publ. 05/20/2016, bulletin No. 14), containing a housing with packer assemblies at the ends, four casings with bypass channels for passing the grouting mixture, located on the body along the circumference through 90 ° C, and radial holes between them, and these casings are made through, between them there are hollow sectors covered by packer flanges and bounded by the walls of adjacent casings and the wall of the case, in which radial holes, in addition, inside the body on an annular protrusion, a circular damper with holes located in relation to the body openings with a shift of 45 ° C is installed with the possibility of rotation, while on the inner surface of the body there are projections at the level of which on the end surface of the circular damper there are reciprocating protrusions that can engage with the faceplate of the pump-compressor pipes for the production of reservoir fluid.

Недостатком известного способа является сложность конструкции, а именно то, что само устройство отдельно включается в состав обсадной колонны на резьбовых соединениях и имеет сложную конструкцию закрывающихся и открывающихся заслонок, через которые происходит сообщение внутреннего пространства обсадной колонны с заколонным пространством при определенном расположении заслонок. Соединение устройства с обсадными трубами с помощью резьбы, предполагает захват снаружи устройства машинными ключами, что в свою очередь может привести к повреждению кожухов устройства и неправильной работе всего устройства.The disadvantage of this method is the complexity of the design, namely that the device itself is separately included in the casing on threaded connections and has a complex design of closing and opening valves, through which the internal space of the casing is communicated with the annular space at a certain location of the valves. The connection of the device to the casing pipes by means of a thread involves gripping from the outside of the device with machine keys, which in turn can lead to damage to the casings of the device and malfunction of the entire device.

Наиболее близким является устройство для заканчивания скважин (патент RU № 2091564, E21B 33/14, опубл. 27.09.1997), включающее составной корпус с пакерующими узлами по концам – верхней и нижней частями, каналы для прохождения растворов между верхней и нижними частями, выполненные в виде прилегающих к корпусу продольных труб (швеллеров) и расположенных по окружности через 90°, общее сечение которых составляет по меньшей мере 20 % сечения кольцевого пространства между стенками скважины и обсадной колонной с выполненными между указанными трубами перфорационными отверстиями, закрытыми кислото-растворимыми заглушками, которые после цементирования растворяются, обеспечивая сообщение с пластом.The closest is a device for well completion (patent RU No. 2091564, E21B 33/14, publ. 09/27/1997), including a composite casing with packer assemblies at the ends - upper and lower parts, channels for the passage of solutions between the upper and lower parts, made in the form of longitudinal pipes (channels) adjacent to the body and located around the circumference through 90 °, the total cross-section of which is at least 20% of the cross-section of the annular space between the walls of the well and the casing with perforations made between the said pipes, closed with acid-soluble plugs, which, after cementing, dissolve, providing communication with the formation.

Недостатком известного устройства является то, что каналы для прохождения цемента в виде труб составляют только 20 % сечения кольцевого пространства между стенками скважины и обсадной колонной, что в свою очередь не обеспечивает полного заполнения заколонного пространства в данном участке, тем самым в дальнейшем возможна ранняя коррозия участков обсадной трубы, не защищенных цементом. Также при малом проходном сечении, по которому будет двигаться цементный раствор в процессе цементирования, возможны увеличения давления, которые могут привести к аварийной ситуации.The disadvantage of the known device is that the channels for the passage of cement in the form of pipes make up only 20% of the cross-section of the annular space between the walls of the well and the casing, which in turn does not ensure complete filling of the annular space in this area, thereby further possible early corrosion of areas casing, not protected by cement. Also, with a small flow area through which the cement slurry will move during the cementing process, pressure increases are possible, which can lead to an emergency.

Техническими задачами являются повышение эффективности цементирования обсадной колонны в скважине за счет гарантированного подъема цементного раствора за обсадной колонной до устья, повышение качества цементирования обсадных колонн в скважинах с остаточными поглощениями бурового раствора, устранение фильтрации цементного раствора при прохождении проницаемых участков ствола скважины, исключение аварийных ситуаций в процессе цементирования, а также упрощение конструкции устройства и технологии установки последнего на обсадной трубе.The technical tasks are to increase the efficiency of casing cementing in the well due to guaranteed lifting of the cement slurry behind the casing to the wellhead, to improve the quality of casing cementing in wells with residual losses of the drilling fluid, to eliminate filtration of the cement slurry when passing through permeable sections of the wellbore, to eliminate emergencies in the process of cementing, as well as simplifying the design of the device and the technology of installing the latter on the casing.

Технические задачи решаются устройством для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях, включающим составной корпус с верхней и нижней частями, каналы для прохождения растворов между верхней и нижними частями.Technical problems are solved by a device for cementing casing strings in difficult conditions, which includes a composite casing with upper and lower parts, channels for the passage of solutions between the upper and lower parts.

Новым является то, что верхняя и нижняя части корпуса устройства представляют собой два отдельных внутренних цилиндра – верхний и нижний с наружной резьбой, а каналы для прохождения растворов между верхним и нижним внутренними цилиндрами выполнены в виде резинового рукава, закрепленного к верхнему и нижнему внутренним цилиндрам путем зажатия концов резинового рукава верхним и нижним прижимными цилиндрами с внутренней резьбой соответственно, причем на нижнем конце нижнего прижимного цилиндра и на верхнем конце верхнего прижимного цилиндра выполнены конусные направляющие расточки, обеспечивающие направленное движение цементного раствора внутрь резинового рукава с возможностью его расширения в радиальном направлении, при этом в верхнем и нижнем внутренних цилиндрах выполнены внутренние проходные проточки, расположенные по окружности цилиндров через 90°, причем нижний внутренний цилиндр закреплен к обсадной трубе с помощью прижимных винтов, а верхний внутренний цилиндр находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси трубы вниз под действием гидростатического столба жидкости после окончания цементирования. The novelty is that the upper and lower parts of the device body are two separate internal cylinders - upper and lower with external threads, and the channels for the passage of solutions between the upper and lower internal cylinders are made in the form of a rubber sleeve fixed to the upper and lower internal cylinders by clamping the ends of the rubber sleeve with the upper and lower pressure cylinders with an internal thread, respectively, and at the lower end of the lower pressure cylinder and at the upper end of the upper pressure cylinder there are conical guide bores that provide a directed movement of the cement mortar inside the rubber sleeve with the possibility of its expansion in the radial direction, when In this case, the upper and lower inner cylinders have internal bores located around the circumference of the cylinders at 90 °, and the lower inner cylinder is fixed to the casing by means of clamping screws, and the upper inner cylinder is free normal condition with the ability to move along the pipe axis downward under the action of the hydrostatic column of liquid after the completion of cementing.

Также новым является то, что резиновый рукав выполнен из набухающего в жидкости эластомера, при этом в качестве набухающего в жидкости эластомера выбран водонабухающий полимер или нефтенабухающий каучук.Also new is that the rubber sleeve is made of a liquid-swellable elastomer, wherein a water-swellable polymer or oil-swellable rubber is selected as the liquid swellable elastomer.

На фиг. 1 изображено устройство для обеспечения подъёма цемента до устья в скважинах с наличием осложненных зон. FIG. 1 shows a device for ensuring the lifting of cement to the wellhead in wells with complicated zones.

На фиг. 2 изображено устройство для обеспечения подъёма цемента до устья в скважинах с наличием осложненных зон, вид сверху.FIG. 2 shows a device for ensuring the lifting of cement to the wellhead in wells with complicated zones, top view.

На фиг. 3 показана схема реализации способа цементирования обсадной колонны. FIG. 3 shows a diagram of the implementation of the method for cementing the casing.

Устройство для цементирования обсадных колонн, устанавливаемое на обсадной трубе 1 (фиг. 1), включает составной корпус с верхней и нижней частями, которые представляют собой два отдельных внутренних цилиндра - верхний внутренний цилиндр 2 и нижний внутренний цилиндр 3 с наружной резьбой на верхнем внутреннем цилиндре 2 и наружной резьбой на нижнем внутреннем цилиндре 3. Каналы для прохождения растворов между верхним 2 и нижним 3 внутренними цилиндрами выполнены в виде резинового рукава 4, закрепленного к верхнему 2 и нижнему 3 внутренним цилиндрам путем зажатия концов резинового рукава 4 верхним 5 и нижним 5ꞌ прижимными цилиндрами с внутренней резьбой соответственно. Верхний прижимной цилиндр 5 и нижний прижимной цилиндр 5ꞌ при сборке соединяются с верхним внутренним цилиндром 2 и нижним внутренним цилиндром 3 соответственно с помощью резьбового соединения, тем самым плотно зажимая концы резинового рукава 4. The device for cementing the casing strings, installed on the casing pipe 1 (Fig. 1), includes a composite casing with upper and lower parts, which are two separate inner cylinders - the upper inner cylinder 2 and the lower inner cylinder 3 with external threads on the upper inner cylinder 2 and an external thread on the lower inner cylinder 3. The channels for the passage of solutions between the upper 2 and lower 3 internal cylinders are made in the form of a rubber sleeve 4, fixed to the upper 2 and lower 3 internal cylinders by clamping the ends of the rubber sleeve 4 with the upper 5 and lower 5ꞌ clamping cylinders with internal thread, respectively. The upper pressure cylinder 5 and the lower pressure cylinder 5ꞌ are connected during assembly with the upper inner cylinder 2 and the lower inner cylinder 3, respectively, by means of a threaded connection, thereby tightly clamping the ends of the rubber sleeve 4.

Верхний прижимной цилиндр 5 в верхней части и нижний прижимной цилиндр 5ꞌ в нижней части имеют конусные направляющие расточки 6, обеспечивающие направленное движение цементного раствора внутрь резинового рукава 4, который образует байпасные каналы для движения цементного раствора вдоль обсадной трубы 1 вверх с возможностью его расширения в радиальном направлении. В верхнем 2 и нижнем 3 внутренних цилиндрах выполнены внутренние проходные проточки 7 (фиг. 1, 2), расположенные по окружности верхнего внутреннего цилиндра 2 (фиг. 1) и нижнего внутреннего цилиндра 3 через 90 °. Причем нижний внутренний цилиндр 3 закреплен к обсадной трубе 1 с помощью прижимных винтов 8, а верхний внутренний цилиндр 2 находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси обсадной трубы 1 вниз под действием гидростатического столба жидкости после окончания цементирования. The upper pressure cylinder 5 in the upper part and the lower pressure cylinder 5ꞌ in the lower part have tapered guide bores 6, providing a directed movement of the cement slurry inside the rubber sleeve 4, which forms bypass channels for the movement of the cement slurry along the casing pipe 1 upwards with the possibility of its expansion radially direction. In the upper 2 and lower 3 internal cylinders there are internal bores 7 (Fig. 1, 2), located along the circumference of the upper internal cylinder 2 (Fig. 1) and the lower internal cylinder 3 through 90 °. Moreover, the lower inner cylinder 3 is fixed to the casing 1 by means of clamping screws 8, and the upper inner cylinder 2 is in a free state with the ability to move along the axis of the casing 1 downward under the action of a hydrostatic column of liquid after cementing is completed.

В качестве материала резинового рукава 4 выбран набухающий в жидкости эластомер, при этом в качестве набухающего эластомера выбран водонабухающий полимер (например, описанный в патенте RU № 2580564, опубл. 10.04.2016, или в патенте RU№ 70543, опубл. 27.01.2008) или нефтенабухающий каучук (например, описанный в патенте RU № 2625108, опубл. 11.07.2017).A liquid-swellable elastomer was selected as the material of the rubber sleeve 4, while a water-swellable polymer was selected as the swellable elastomer (for example, described in RU patent No. 2580564, publ. 10.04.2016, or in RU patent No. 70543, publ. 01/27/2008) or oil-swellable rubber (for example, described in patent RU No. 2625108, publ. 11.07.2017).

Устройство для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях работает следующим образом.A device for cementing casing strings in complicated conditions works as follows.

По согласованию с геологической и технологической службами бурового предприятия уточняют место установки устройства. Перед спуском в скважину устройство для цементирования обсадных колонн, включающее верхний внутренний цилиндр 2 и нижний внутренний цилиндр 3, надевают на обсадную трубу 1 (фиг.1) обсадной колонны и с помощью прижимных винтов 8 закрепляют нижний внутренний цилиндр 3 устройства к обсадной трубе 1. При этом верхний внутренний цилиндр 2 находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси обсадной трубы 1 вниз под действием гидростатического столба жидкости (цементного раствора) после окончания цементирования. Выше и ниже устройства на расстоянии 0,5-1 м устанавливают центраторы (на фиг. 1-3 не показаны), выполняющие защитную роль за счет центрирования обсадной трубы 1 (фиг.3) на данном участке относительно стенок ствола скважины.In agreement with the geological and technological services of the drilling enterprise, the location of the device is being specified. Before running into the well, a device for cementing casing strings, including an upper inner cylinder 2 and a lower inner cylinder 3, is put on the casing pipe 1 (Fig. 1) of the casing string and, using clamping screws 8, the lower inner cylinder 3 of the device is fixed to the casing pipe 1. In this case, the upper inner cylinder 2 is in a free state with the ability to move along the axis of the casing 1 downward under the action of a hydrostatic column of liquid (cement slurry) after the end of cementing. Above and below the device at a distance of 0.5-1 m, centralizers are installed (not shown in Figs. 1-3), performing a protective role by centering the casing 1 (Fig. 3) in this area relative to the wellbore walls.

После закрепления устройства на обсадной трубе 1, колонну обсадных труб спускают в скважину до пробуренного забоя скважины. В процессе спуска обсадной колонны восходящий поток промывочной жидкости проходит как за устройством между стенкой скважины, так и внутри резинового рукава 4 по внутренним проходным проточкам 7 (фиг. 1, 2) самого устройства через образующуюся сквозную полость, не нарушая процесс промывки ствола скважины буровым раствором. After fixing the device on the casing 1, the casing string is lowered into the well to the drilled bottom of the well. In the process of lowering the casing string, the ascending flow of drilling fluid passes both behind the device between the borehole wall and inside the rubber sleeve 4 along the internal bore holes 7 (Fig. 1, 2) of the device itself through the resulting through cavity, without disrupting the process of flushing the wellbore with drilling fluid ...

Далее с помощью цементировочных агрегатов расчетный объем цементного раствора закачивают в заколонное пространство скважины. При этом цементный раствор, проходя в осложненном участке ствола скважины, попадает внутрь устройства за счет разности площадей внутри полости устройства и за устройством между стенкой скважины (площадь кольцевого сечения внутри полости резинового рукава 4 (фиг. 1) больше площади сечения заколонного пространства между устройством и стенкой скважины) и наличия конусных направляющих расточек 6 (фиг. 1) в верхней части верхнего прижимного цилиндра 5 и нижней части нижнего прижимного цилиндра 5ꞌ. Далее цементный раствор беспрепятственно проходит вверх до выхода на устье скважины. После заполнения заколонного пространства цементным раствором и остановки процесса цементирования под действием гидростатического давления столба цементного раствора, стремящегося внутрь полости устройства за счет наличия конусных направляющих расточек 6 (фиг. 3) в верхней части верхнего прижимного цилиндра 5, верхний внутренний цилиндр 2 (незакрепленная часть) перемещается вниз относительно оси трубы 1. При этом резиновый рукав 4 расправляясь расширяется в радиальном направлении, и надежно перекрывает осложненный участок ствола скважины. Таким образом, цементный раствор изолируется от осложненного участка ствола скважины и в результате чего образуется надежная цементная крепь на всем протяжении обсадной колонны. Then, using cementing units, the estimated volume of cement slurry is pumped into the annulus of the well. In this case, the cement slurry, passing in the complicated section of the wellbore, enters the device due to the difference in areas inside the cavity of the device and behind the device between the borehole wall (the area of the annular section inside the cavity of the rubber sleeve 4 (Fig. 1) is greater than the cross-sectional area of the annular space between the device and borehole wall) and the presence of tapered guide bores 6 (Fig. 1) in the upper part of the upper pressure cylinder 5 and the lower part of the lower pressure cylinder 5ꞌ. Further, the cement slurry freely passes upward until it reaches the wellhead. After filling the annular space with cement slurry and stopping the cementing process under the action of the hydrostatic pressure of the column of cement slurry, tending to the inside of the device cavity due to the presence of tapered guide bores 6 (Fig. 3) in the upper part of the upper pressure cylinder 5, the upper inner cylinder 2 (loose part) moves downward relative to the axis of the pipe 1. At the same time, the rubber sleeve 4 expands in the radial direction and reliably covers the complicated section of the wellbore. Thus, the cement slurry is isolated from the complicated section of the wellbore and, as a result, a reliable cement lining is formed along the entire length of the casing.

Предлагаемое устройство имеет простую конструкцию, легко крепится на теле обсадной трубы, не нарушая целостность обсадной колонны. Наличие предлагаемого устройства в составе обсадной колонны позволяет штатно провести процесс цементирования обсадной колонны с гарантированным подъемом цементного раствора до устья. В результате использования предлагаемого устройства исключаются аварийные ситуации, связанные с фильтрацией цементного раствора в интервалах поглощающих пластов и дополнительные временные затраты в случае цементирования скважины двухступенчатым способом. Таким образом в интервале поглощающего пласта образуется крепкое защитное цементное кольцо, исключающее образование заколонных перетоков и преждевременной коррозии стальных обсадных труб. The proposed device has a simple design, is easily attached to the body of the casing without violating the integrity of the casing. The presence of the proposed device as part of the casing string allows to carry out the process of cementing the casing string with guaranteed lifting of the cement slurry to the wellhead. As a result of using the proposed device, emergencies associated with the filtration of cement slurry in the intervals of absorbing formations and additional time costs in the case of cementing the well in a two-stage way are eliminated. Thus, a strong protective cement ring is formed in the interval of the absorbing formation, which excludes the formation of behind-the-casing flows and premature corrosion of steel casing pipes.

Применение предлагаемого устройства позволяет повысить эффективность цементирования обсадной колонны в скважине за счет гарантированного подъема цементного раствора за обсадной колонной до устья, повысить качество цементирования обсадных колонн в скважинах с остаточными поглощениями бурового раствора, устранить фильтрацию цементного раствора при прохождении проницаемых участков ствола скважины, а также исключить аварийные ситуации в процессе цементирования.The use of the proposed device makes it possible to increase the efficiency of casing cementing in the well due to the guaranteed lifting of the cement slurry behind the casing to the wellhead, to improve the quality of casing cementing in wells with residual losses of the drilling fluid, to eliminate the filtration of the cement slurry when passing through the permeable sections of the wellbore, and to eliminate emergency situations in the process of cementing.

Claims (2)

1. Устройство для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях, включающее составной корпус с верхней и нижней частями, каналы для прохождения растворов между верхней и нижними частями, отличающееся тем, что верхняя и нижняя части корпуса устройства представляют собой два отдельных внутренних цилиндра – верхний и нижний с наружной резьбой, а каналы для прохождения растворов между верхним и нижним внутренними цилиндрами выполнены в виде резинового рукава, закрепленного к верхнему и нижнему внутренним цилиндрам путем зажатия концов резинового рукава верхним и нижним прижимными цилиндрами с внутренней резьбой соответственно, причем на нижнем конце нижнего прижимного цилиндра и на верхнем конце верхнего прижимного цилиндра выполнены конусные направляющие расточки, обеспечивающие направленное движение цементного раствора внутрь резинового рукава с возможностью его расширения в радиальном направлении, при этом в верхнем и нижнем внутренних цилиндрах выполнены внутренние проходные проточки, расположенные по окружности цилиндров через 90°, причем нижний внутренний цилиндр закреплен к обсадной трубе с помощью прижимных винтов, а верхний внутренний цилиндр находится в свободном состоянии с возможностью перемещения вдоль оси трубы вниз под действием гидростатического столба жидкости после окончания цементирования. 1. A device for cementing casing strings in difficult conditions, including a composite casing with upper and lower parts, channels for the passage of solutions between the upper and lower parts, characterized in that the upper and lower parts of the device body are two separate internal cylinders - the upper and lower with an external thread, and the channels for the passage of solutions between the upper and lower internal cylinders are made in the form of a rubber sleeve fixed to the upper and lower internal cylinders by clamping the ends of the rubber sleeve with the upper and lower pressure cylinders with an internal thread, respectively, and at the lower end of the lower pressure cylinder and on the upper end of the upper pressure cylinder there are conical guide bores that provide a directed movement of the cement mortar inside the rubber sleeve with the possibility of its expansion in the radial direction, while in the upper and lower inner cylinders there are internal bores grooves located around the circumference of the cylinders at 90 °, with the lower inner cylinder fixed to the casing by means of clamping screws, and the upper inner cylinder in a free state with the ability to move downward along the pipe axis under the action of a hydrostatic liquid column after cementing is completed. 2. Устройство для цементирования обсадных колонн в осложненных условиях по п.1, отличающееся тем, что резиновый рукав выполнен из набухающего в жидкости эластомера, при этом в качестве набухающего в жидкости эластомера выбран водонабухающий полимер или нефтенабухающий каучук. 2. A device for cementing casing strings in complicated conditions according to claim 1, characterized in that the rubber sleeve is made of an elastomer swellable in a liquid, and a water-swellable polymer or an oil-swellable rubber is selected as a liquid swellable elastomer.

Images