RU2767495C1 - Wellhead module for cementing a casing string in a well - Google Patents

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: invention relates to oil and gas industry, in particular to construction of oil and gas wells, namely to devices for cementing a casing string in a well. Wellhead module for cementing the casing string in the well includes a hollow housing with connecting threads at the ends and with a side channel communicated with an annular groove made opposite, which is covered from the outside by a bushing equipped with a side branch pipe. Housing is made composite, consisting of two stepped upper and lower parts connected to each other by means of a thread. Side channel is made in the upper part of the housing; on both sides of the side channel on the external surface of the upper part of the housing there are annular grooves of a semicircular shape. On the inner surface of the bushing on both sides of the side branch pipe there are annular grooves of a semicircular shape with the possibility of being aligned with the annular grooves of the body and formation of annular channels of a round shape. Radial cylindrical channels are made on the bushing, interconnected with its annular grooves of semicircular shape with the possibility of passage through the above annular channels of round shape of metal balls with formation of ball bearings, which are closed with a plug.

EFFECT: proposed wellhead module has simple design, is efficient in operation due to reduction of labor intensity of erection and dismantling works and provision of possibility of multiple use without replacement of parts, and also increases reliability of operation.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к строительству нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для цементирования обсадной колонны в скважине.The invention relates to the oil and gas industry, in particular to the construction of oil and gas wells, and in particular to devices for cementing the casing string in the well.

Известна цементировочная головка (патент RU №63417, МПК E21B 33/00, опубл. 27.05.2007 г.), включающая цилиндрический корпус с крышкой, оснащенный отводами с пробковыми кранами, имеющий на нижнем конце наружную резьбу, укомплектованная одной или несколькими разделительными пробками, оборудованная специальной муфтой, установленной на резьбе корпуса. Муфта удерживает размещенный в ней уплотненный в корпусе ниппель с кольцевым выступом, взаимодействующим с упорными подшипниками, оканчивающийся резьбой для соединения с обсадной колонной, при этом муфта снабжена, по меньшей мере, одним радиально установленным в ней стопорящим ниппель винтом и системой смазки подшипников ниппеля. Данное устройство предназначено для цементирования колонны с вращением.A cementing head is known (patent RU No. 63417, IPC E21B 33/00, publ. 05/27/2007), including a cylindrical body with a lid, equipped with outlets with plug valves, having an external thread at the lower end, equipped with one or more separating plugs, equipped with a special coupling mounted on the body thread. The sleeve holds a nipple sealed in the body with an annular protrusion placed in it, interacting with the thrust bearings, ending in a thread for connecting to the casing, while the sleeve is equipped with at least one nipple locking screw radially installed in it and a nipple bearing lubrication system. This device is designed for cementing the column with rotation.

Недостатком является то, что вращение колонны в процессе цементирования можно осуществлять только приводом ротора бурильной установки, на клиньях которого она подвешена, что исключает возможность его применения на буровых установках с верхним приводом или скважинах с наклонным устьем. Кроме того, цементировочная головка требует изготовления и использования специальной муфты, приводящей к увеличению металлоемкости, а также изготовление опорных подшипников большого диаметра, что также приводит к увеличению металлоемкости и его удорожанию.The disadvantage is that the rotation of the string during the cementing process can be carried out only by the drive of the rotor of the drilling rig, on the wedges of which it is suspended, which excludes the possibility of its use on drilling rigs with a top drive or wells with an inclined mouth. In addition, the cementing head requires the manufacture and use of a special clutch, which leads to an increase in metal consumption, as well as the manufacture of large-diameter support bearings, which also leads to an increase in metal consumption and its rise in price.

Известно также устройство для цементирования обсадной колонны труб в скважине (патент RU №2570696, МПК E21B 33/14, E21B 33/05, опубл. 10.12.2015 г.), включающее полый цилиндрический корпус с боковым каналом, нижнюю разделительную пробку с проходным каналом, оснащенную сверху посадочным седлом под верхнюю разделительную пробку и соединенную с корпусом, колонну труб, соединенных с корпусом, при этом корпус выполнен с возможностью размещения на устье скважины, соединен посредством резьбы с верхним приводом для передачи вращения обсадной колонне в процессе цементирования и сверху оснащен посадочным местом под верхнюю разделительную пробку, боковой канал выполнен между разделительными пробками в корпусе, на наружной поверхности которого напротив бокового канала выполнена цилиндрическая проточка, снаружи перекрытая гильзой, герметично установленной снаружи корпуса с возможностью неподвижного состояния относительно обсадной колонны при вращении корпуса и снабженной боковым патрубком, который сообщен через цилиндрическую проточку с боковым каналом, при этом срезной элемент выполнен в виде центрального патрубка с технологической выборкой для среза, сообщающего полость корпуса и проходной канал нижней разделительной пробки.It is also known a device for cementing a casing string in a well (patent RU No. 2570696, IPC E21B 33/14, E21B 33/05, publ. 10.12.2015), including a hollow cylindrical body with a side channel, a lower separating plug with a passage channel , equipped on top with a landing seat for the top separating plug and connected to the body, a string of pipes connected to the body, while the body is made with the possibility of placement at the wellhead, is connected by means of a thread to the top drive to transmit rotation to the casing string during cementing and is equipped on top with a landing a place for the upper separating plug, the side channel is made between the separating plugs in the body, on the outer surface of which, opposite the side channel, a cylindrical groove is made, externally covered by a sleeve, hermetically installed outside the body with the possibility of a stationary state relative to the casing during rotation of the body and equipped with a side branch pipe, whichcommunicated through a cylindrical groove with a side channel, while the shear element is made in the form of a central branch pipe with a technological sample for cutting, which communicates the body cavity and the passage channel of the lower separating plug.

Недостатком данного устройства является ограниченность его применения, поскольку вращение колонны в процессе цементирования можно осуществлять только верхним силовым приводом бурильной установки, что исключает возможность ее применения на буровых установках с роторным приводом. Еще одним недостатком является сложность и дороговизна конструкции из-за наличия дополнительной разделительной пробки, а также возможность несанкционированного срыва ее при прокачке цементного раствора.The disadvantage of this device is the limitation of its use, since the rotation of the string during cementing can only be carried out by the top power drive of the drilling rig, which excludes the possibility of its use on drilling rigs with a rotary drive. Another disadvantage is the complexity and high cost of the design due to the presence of an additional separating plug, as well as the possibility of unauthorized disruption of it during pumping of the cement slurry.

Кроме того, устройство сложно по конструкции, имеет много промежуточных звеньев, пару разделительных пробок, нижняя из которых удерживается на срезном элементе в виде патрубка-гильзы. Все это приводит к удорожанию изготовления и увеличению металлоемкости.In addition, the device is complex in design, has many intermediate links, a pair of separating plugs, the lower of which is held on a shear element in the form of a sleeve. All this leads to an increase in the cost of production and an increase in metal consumption.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для цементирования обсадной колонны труб в скважине (патент RU №179812, МПК E21B 33/05, E21B 33/14, опубл. 24.05.2018 г.), содержащее полый цилиндрический корпус с присоединительными резьбами на концах и с боковым каналом с выполненной напротив цилиндрической проточкой, прикрытой герметично вмонтированной снаружи гильзой с использованием болтов и герметизирующих элементов, при этом боковой канал сообщен с боковым патрубком. Указанная гильза установлена с небольшим зазором, чтобы корпус вместе с соединенной с ним колонной имел возможность вращаться при необходимости, например, при цементировании колонны.Closest to the proposed one is a device for cementing the casing string in the well (patent RU No. 179812, IPC E21B 33/05, E21B 33/14, publ. 05/24/2018), containing a hollow cylindrical body with connecting threads at the ends and with a side channel with a cylindrical groove made opposite, covered with a sleeve hermetically mounted from the outside using bolts and sealing elements, while the side channel is in communication with the side branch pipe. The specified sleeve is installed with a small gap so that the body, together with the column connected to it, can rotate if necessary, for example, when cementing the column.

К недостаткам этого устройства можно отнести следующее.The disadvantages of this device include the following.

Оно сложно по конструкции, следовательно, и не технологично его изготовление, трудоемка его сборка и разборка. Кроме того, при вращении колонны в процессе цементирования уплотнительные элементы, герметизирующие гильзу, истираясь, быстро выходят из строя, создавая аварийную ситуацию.It is complex in design, therefore, its manufacture is not technologically advanced, its assembly and disassembly is laborious. In addition, when the string rotates during the cementing process, the sealing elements that seal the sleeve, wear out, quickly fail, creating an emergency.

Технической задачей настоящего изобретения является создание простой и эффективной в работе конструкции устьевого модуля за счет снижения трудоемкости монтажных и демонтажных работ и обеспечения возможности многократного использования без замены деталей, а также повышение надежности его работы.The technical objective of the present invention is to create a simple and efficient design of the wellhead module by reducing the complexity of installation and dismantling and providing the possibility of multiple use without replacing parts, as well as increasing the reliability of its operation.

Техническая задача решается предлагаемым устьевым модулем для цементирования обсадной колонны в скважине, включающим полый корпус с присоединительными резьбами на концах и с боковым каналом, сообщенным с выполненной напротив кольцевой проточкой, снаружи перекрытой втулкой, снабженной боковым патрубком.The technical problem is solved by the proposed a wellhead module for cementing a casing string in a well, comprising a hollow body with connecting threads at the ends and with a side channel communicated with an annular groove made opposite, covered from the outside with a sleeve, provided with a side branch pipe.

Новым является то, что корпус выполнен составным, состоящим из двух ступенчато выполненных верхней и нижней частей, соединенных между собой на резьбе, боковой канал выполнен в верхней части корпуса, с двух сторон от бокового канала на наружной поверхности верхней части корпуса выполнены кольцевые проточки полукруглой формы, при этом на внутренней поверхности втулки с двух сторон от бокового патрубка выполнены кольцевые проточки полукруглой формы с возможностью совмещения с кольцевыми проточками корпуса и образования кольцевых каналов круглой формы, дополнительно на втулке выполнены радиальные каналы цилиндрической формы, сообщенные с ее кольцевыми проточками полукруглой формы с возможностью прохождения через вышеупомянутые кольцевые каналы круглой формы металлических шариков с образованием шарикоподшипников, закрываемые пробкой.What is new is that the body is made composite, consisting of two stepped upper and lower parts connected to each other on a thread, the side channel is made in the upper part of the body, on both sides of the side channel on the outer surface of the upper part of the body there are semicircular annular grooves , while on the inner surface of the sleeve on both sides of the side pipe there are annular grooves of a semicircular shape with the possibility of combining with the annular grooves of the body and the formation of annular channels of a round shape, in addition, radial channels of a cylindrical shape are made on the sleeve, communicated with its annular grooves of a semicircular shape with the possibility passing through the aforementioned annular channels of a round shape of metal balls to form ball bearings, closed with a plug.

Представленные фигуры поясняют суть изобретения, где на фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого устьевого модуля для цементирования обсадной колонны в скважине в частичном продольном разрезе.The presented figures explain the essence of the invention, where in Fig. 1 shows a general view of the proposed wellhead module for cementing a casing string in a well in a partial longitudinal section.

На фиг. 2 изображено быстроразъемное соединение в частичном, продольном разрезе.In FIG. 2 shows a quick coupling in a partial, longitudinal section.

Устьевой модуль для цементирования обсадной колонны в скважине содержит полый корпус (на фиг. 1, 2 не обозначен), выполненный составным и состоящий из двух ступенчато выполненных верхней 1 (см. фиг. 1) и нижней 2 частей, соединенных между собой на резьбе 3, с присоединительными резьбами 4 и 5 на концах соответственно. В верхней части корпуса выполнен боковой канал 6, сообщенный с выполненной напротив кольцевой проточкой 7, снаружи перекрытой коаксиально установленной относительно корпуса втулкой 8, и радиальным каналом 9, сообщенным с кольцевой проточкой 7. Втулка 8 снабжена боковым патрубком 10, сообщенным с его радиальным каналом 9. На наружной поверхности верхней 1 части корпуса с двух сторон от бокового канала 6 (сверху и снизу) выполнены кольцевые проточки 11, 12 и 13, 14 корпуса полукруглой формы. На внутренней поверхности втулки 8 с двух сторон от бокового патрубка 10 (см. фиг. 2) выполнены кольцевые проточки 15 (см. фиг. 1) втулки 8 полукруглой формы (остальным кольцевым проточкам позиции на фиг. 1, 2 не даны), аналогичные по геометрическому размеру кольцевым проточкам 11, 12 и 13, 14 корпуса (см. фиг. 1) с возможностью совмещения с кольцевыми проточками 11, 12 и 13, 14 корпуса полукруглой формы и образования кольцевых каналов (на фиг. 1, 2 не обозначены) круглой формы. Дополнительно на втулке 8 (см. фиг. 1) выполнены радиальные каналы 16 (остальным радиальным каналам позиции на фиг. 1, 2 не даны) цилиндрической формы, сообщенные с ее кольцевыми проточками 15 (см. фиг. 1) полукруглой формы с возможностью прохождения через вышеупомянутые кольцевые каналы круглой формы металлических шариков (на фиг. 1, 2 не обозначены) с образованием шарикоподшипников Б (см. фиг. 1), закрываемые пробкой 17. После образования шарикоподшипников «Б» их смазывают машинным маслом и радиальные каналы 16 закрывают пробками 17. Боковой патрубок 10 (с противоположной стороны корпуса выполнен аналогичный боковой канал 18) для подвода промывочной жидкости, а также цементного раствора по гидролинии 19 (гидролиния 20 для бокового канала 18) от цементировочного агрегата (цементировочный агрегат на фиг. 1, 2 не показан) через запорный элемент 21 (см. фиг. 1), снабжен быстроразъемным соединением 22 (быстроразъемное соединение 23 со стороны бокового канала 18). Верхняя 1 и нижняя 2 части корпуса присоединены резьбами 4 и 5 соответственно к ведущей трубе (на фиг. 1, 2 не показано) буровой установки через переводник 24 (см. фиг. 1) и к последней трубе обсадной колонны соответственно (на фиг. 1, 2 не показано).The wellhead module for cementing the casing string in the well contains a hollow body (not marked in Fig. 1, 2), made composite and consisting of two stepped upper 1 (see Fig. 1) and lower 2 parts connected to each other on the thread 3 , with connecting threads 4 and 5 at the ends, respectively. In the upper part of the body, a side channel 6 is made, communicated with an annular groove 7 made opposite, a bushing 8 coaxially installed relative to the body, and a radial channel 9 communicated with the annular groove 7. The bushing 8 is provided with a side branch pipe 10 communicated with its radial channel 9 On the outer surface of the upper 1 part of the body on both sides of the side channel 6 (top and bottom) there are annular grooves 11, 12 and 13, 14 of the body of a semicircular shape. On the inner surface of the sleeve 8 on both sides of the side pipe 10 (see Fig. 2) made annular grooves 15 (see Fig. 1) sleeve 8 semicircular shape (other annular grooves positions in Fig. 1, 2 are not given), similar according to the geometric size of the annular grooves 11, 12 and 13, 14 of the body (see Fig. 1) with the possibility of alignment with the annular grooves 11, 12 and 13, 14 of the semicircular body and the formation of annular channels (not indicated in Fig. 1, 2) round shape. Additionally, on the sleeve 8 (see Fig. 1) is made of radial channels 16 (the remaining radial channels of the position in Fig. 1, 2 are not given) of a cylindrical shape, communicated with its annular grooves 15 (see Fig. 1) of a semicircular shape with the possibility of passing through the aforementioned annular channels of round metal balls (not marked in Fig. 1, 2) with the formation of ball bearings B (see Fig. 1), closed with a plug 17. After the formation of ball bearings "B" they are lubricated with machine oil and the radial channels 16 are closed with plugs 17. Side branch pipe 10 (a similar side channel 18 is made on the opposite side of the body) for supplying flushing fluid, as well as cement slurry through the hydraulic line 19 (hydraulic line 20 for the side channel 18) from the cementing unit (the cementing unit in Fig. 1, 2 is not shown ) through the locking element 21 (see Fig. 1), is equipped with a quick coupling 22 (quick coupling 23 on the side of the side channel 18). The upper 1 and lower 2 parts of the body are connected by threads 4 and 5, respectively, to the leading pipe (not shown in Fig. 1, 2) of the drilling rig through the sub 24 (see Fig. 1) and to the last pipe of the casing, respectively (in Fig. 1 , 2 not shown).

Устьевой модуль для цементирования обсадной колонны в скважине работает следующим образом. Его доставляют на скважину с жестко закрепленным боковым патрубком 10 с установленной в нем защитной заглушкой (на фиг. 1, 2 не изображены). Обсадную колонну спускают в скважину до заданной глубины и подвешивают ее на клиньях ротора (на фиг. 1, 2 не изображены). После удаления заглушки из бокового патрубка 10 к нему присоединяют гидролинию 19 через запорный элемент 21 и быстроразъемным соединением 22. После проверки надежности соединений нижнюю часть 2 корпуса присоединяют на резьбе 5 с муфтой последней трубы колонны (на фиг. 1, 2 не изображена), а запорный элемент (на фиг. не изображен), соединенный с переводником 24, закрывают и начинают подачу цементного раствора в колонну цементировочным агрегатом (цементировочный агрегат на фиг. 1, 2 не изображен) по гидролинии 19 при открытом состоянии запорного элемента 21. При этом закачанный расчетный объем цементного раствора заполняет полость колонны и далее поступает в заколонное пространство. Затем с помощью ротора буровой установки передают вращение колонне с минимально возможной скоростью, при этом колонна вместе с верхней 1 и нижней 2 частями корпуса вращается на шарикоподшипниках Б, а втулка 8 с боковым патрубком 10 остается на месте в неподвижном состоянии. При необходимости колонну расхаживают в продольном направлении. Для этого переводник 24 верхней части корпуса 1 соединяют с ведущей трубой буровой установки и колонну освобождают от клиньев ротора, тем самым, обеспечивая условия для расхаживания с помощью ведущей трубы буровой установки или вращая колонну с верхним приводом. Как видно из вышеизложенного, предлагаемый устьевой модуль позволяет манипулировать колонной в расширенном диапазоне - вращать колонну и ротором, и верхним приводом и расхаживать колонну более простым по конструкции устройством. После прокачки цементного раствора необходимого объема его продавливают в заколонное пространство цементировочной пробкой (пробка на фиг. 1, 2 не изображена), при этом одновременно манипулируют колонной, вращая также при необходимости и расхаживая, что приведет к повышению качества цементирования колонны, исключая образование застойных зон и отдельных висячих языков в цементном растворе за колонной.The wellhead module for cementing the casing string in the well operates as follows. It is delivered to the well with a rigidly fixed side pipe 10 with a protective plug installed in it (not shown in Fig. 1, 2). The casing string is lowered into the well to a predetermined depth and hung on the wedges of the rotor (not shown in Fig. 1, 2). After removing the plug from the side pipe 10, a hydraulic line 19 is connected to it through the locking element 21 and a quick-release connection 22. After checking the reliability of the connections, the lower part 2 of the body is connected on the thread 5 with the coupling of the last pipe of the column (not shown in Fig. 1, 2), and the shut-off element (not shown in Fig.) connected to the sub 24 is closed and the supply of cement slurry into the column by the cementing unit (the cementing unit is not shown in Fig. 1, 2) is started along the hydraulic line 19 with the shut-off element 21 open. the estimated volume of cement slurry fills the cavity of the column and then enters the annulus. Then, with the help of the rotor of the drilling rig, rotation is transmitted to the string at the lowest possible speed, while the string, together with the upper 1 and lower 2 parts of the body, rotates on ball bearings B, and the sleeve 8 with the side pipe 10 remains in place in a stationary state. If necessary, the column is pacing in the longitudinal direction. To do this, the sub 24 of the upper part of the body 1 is connected to the drilling rig's kelly and the string is freed from the rotor wedges, thereby providing conditions for reciprocating with the drilling rig's kelly or rotating the string with a top drive. As can be seen from the above, the proposed wellhead module allows you to manipulate the string in an extended range - to rotate the string and the rotor, and the top drive and walk the string with a simpler device. After pumping the cement slurry of the required volume, it is forced into the annular space with a cementing plug (the plug is not shown in Figs. 1, 2), while simultaneously manipulating the string, also rotating and walking if necessary, which will lead to an increase in the quality of cementing the string, eliminating the formation of stagnant zones and individual hanging tongues in cement mortar behind the column.

Предлагаемый устьевой модуль для цементирования обсадной колонны в скважине прост по конструкции, его доставляют на скважину в собранном виде, следовательно, не требует сборки в скважинных условиях, что приведет к сокращению затраты времени на сборку и демонтаж. Устьевой модуль эффективен и технологичен в изготовлении и в обслуживании, не металлоемок, обладает повышенной надежностью и долговечностью, его можно использовать многократно без ремонтных работ.The proposed wellhead module for cementing the casing string in the well is simple in design, it is delivered to the well in assembled form, therefore, it does not require assembly in downhole conditions, which will reduce the time spent on assembly and dismantling. The wellhead module is efficient and technologically advanced in manufacturing and maintenance, it is not metal-intensive, it has increased reliability and durability, it can be used repeatedly without repair work.

Claims (1)

Устьевой модуль для цементирования обсадной колонны в скважине, включающий полый корпус с присоединительными резьбами на концах и с боковым каналом, сообщенным с выполненной напротив кольцевой проточкой, снаружи перекрытой втулкой, снабженной боковым патрубком, отличающийся тем, что корпус выполнен составным, состоящим из двух ступенчато выполненных верхней и нижней частей, соединённых между собой на резьбе, боковой канал выполнен в верхней части корпуса, с двух сторон от бокового канала на наружной поверхности верхней части корпуса выполнены кольцевые проточки полукруглой формы, при этом на внутренней поверхности втулки с двух сторон от бокового патрубка выполнены кольцевые проточки полукруглой формы с возможностью совмещения с кольцевыми проточками корпуса и образования кольцевых каналов круглой формы, дополнительно на втулке выполнены радиальные каналы цилиндрической формы, сообщенные с её кольцевыми проточками полукруглой формы с возможностью прохождения через вышеупомянутые кольцевые каналы круглой формы металлических шариков с образованием шарикоподшипников, закрываемые пробкой.A wellhead module for cementing a casing string in a well, comprising a hollow body with connecting threads at the ends and with a side channel communicated with an annular groove made opposite, covered from the outside with a sleeve, equipped with a side branch pipe, characterized in that the body is made of a composite, consisting of two stepped of the upper and lower parts connected to each other on the thread, the side channel is made in the upper part of the body, on both sides of the side channel on the outer surface of the upper part of the body there are annular grooves of a semicircular shape, while on the inner surface of the sleeve on both sides of the side branch pipe are made annular grooves of a semicircular shape with the possibility of combining with the annular grooves of the body and the formation of annular channels of a round shape, in addition, radial channels of a cylindrical shape are made on the sleeve, communicated with its annular grooves of a semicircular shape with the possibility of passing through the above-mentioned rings round channels of metal balls with the formation of ball bearings, closed with a stopper.

Images