Конструкция и принцип работы средств для спуска и установки пластырей в обсадных колоннах

Разработка способов ремонта обсадных колонн с помощью металлической продольно-гофрированной трубы, спускаемой в скважину до места повреждения и расширяемой там до плотного контакта со стенками обсадных колонн, была начата в США в 1959-1962 гг. Американскими специалистами предложены различные устройства для расширения гофриро­ванных труб в скважине, среди них: использующие энергию взрыва; включающие в конструкцию эластичный резиновый баллон, расширяющийся под воздействием внутреннего давле­ния; основанные на протаскивании через трубы расширяю­щей металлической оправки.

Ряд устройств, используемых для расширения гофрирован­ного патрубка, спускают в скважину на трубах, тросе или ка­ротажном кабеле.

Для протаскивания металлической расширяющей оправки предложены устройства с использованием силы гидравличе­ских цилиндров, талевой системы буровых установок, элект­роэнергии, энергии сжатого газа, образующегося непосред­ственно в них в результате химических реакций.

Для заполнения неровностей между стенками обсадной колонны и пластырем с целью герметизации, а также для изо­ляции обсадных колонн от металла пластыря во избежание возникновения электролитической коррозии гофрированную трубу перед спуском в скважину обматывают снаружи стекло- тканью, пропитанной эпоксидной смолой. Гофрированные пат­рубки изготовляют из труб с толщиной стенки 1,65 мм для НКТ диаметром 70 мм и с толщиной стенки 3,125 мм — для всех остальных размеров обсадных труб, при этом уменьше­ние внутреннего диаметра составляет соответственно 4,3 и 7,6 мм с учетом толщины стеклопластика. Степень восстанов­ления прочности обсадных колонн зависит от размеров повреж­дения. При установке пластыря на перфорированный участок и изоляции отверстия диаметром до 25 мм прочность обсадной колонны при воздействии внутреннего и внешнего давления восстанавливается полностью. Этот способ успешно использу­ют при ремонте обсадных колонн на глубине до 4000 м и с температурой в зоне установки пластыря до 115° С.

Широкое промышленное применение на промыслах и при бурении скважин в США получили способ и устройство для ремонта обсадных колонн, разработанные специалистами фир­мы «Пан-Америкен петролеум корпорейшн».

Основными частями устройства являются пружинная рас­ширяющаяся головка и двойной силовой цилиндр с гидравли­ческим якорем, между которыми перемещается металличе­ская гофрированная труба. Устройство спускают в скважину на НКТ или бурильных трубах, внутри силовых цилиндров со­здают давление в пределах 15-20 МПа, и силовые цилиндры протаскивают расширяющую головку через гофрированную трубу. Ход цилиндров равен 1,5 м, поэтому расширение ведет­ся ступенями.

После первого хода цилиндров дальнейшую протяжку рас­ширяющей головки можно выполнить с помощью талевой си­стемы, когда усилия протяжки, равные в среднем 140-160 кН, но достигающие иногда 250 кН, будут действовать на обсад­ную колонну.

Ведущими американскими фирмами по производству уст­ройств для спуска и установки стальных гофрированных плас­тырей в обсадных колоннах являются «Лайенс» и «Хомко».

К недостаткам устройств фирмы «Лайенс» (рис. 6.19) необ­ходимо отнести возможность порыва трубчатого эластичного баллона при его расширении, неплотное прилегание пластыря до необходимого контакта с поверхностью ремонтируемого участка обсадной колонны, отсутствие технологической воз­можности изготовления трубчатого баллона достаточной дли­ны (5 м и более). Технология установки пластыря этим устрой­ством включает калибровку пластыря роликовой или какой-либо другой оправкой с дополнительной спуско-подъемной операцией в скважине.

Рис. 6.19. Устройство для установки пластырей в обсадной колонне фирмы «Лайнес»

Устройства фирмы «Лайенс» можно использовать также как гидравлическую печать для определения характера, формы и размеров дефекта обсадной колонны. С этой целью на наруж­ную поверхность трубчатого эластичного баллона наклеивают оттискной слой (3-4 мм) из материала, обладающего дефор­мацией и пластичностью (сырая резина).

К недостаткам устройств фирмы «Хомко» (рис. 6.20) отно­сится то, что для каждой толщины стенки ремонтируемого уча­стка обсадной колонны предусмотрены индивидуальный плас­тырь по периметру поперечного сечения и своя пружинная цанга с калибрующими (дожимными) плечиками. После выхо­да цанги из зацепления с конусным пуансоном не обеспечива­ется возврат калибрующих плечиков в исходное (транспорт­ное) положение без подъема устройства на поверхность. В ре­зультате исключается возможность повторных проходов голов­кой в целях усиления контактного сопряжения пластыря с по­верхностью обсадной колонны.

Недостатком применяемого фирмами «Лайенс» и «Хомко» пластыря является то, что используемая в качестве герметика стеклоткань с пропиткой на основе эпоксидной смолы не обес­печивает качественной прослойки между пластырем и обсад­ной колонной. Это обусловлено тем, что эпоксидная смола в готовом для нанесении на пластырь виде обладает «жизнеспо­собностью» в пределах 24 ч., а затем твердеет, становится хруп­кой и не может заполнить раковины и поры в обсадной трубе. Кроме того, при спуске пластыря в скважину раствор эпоксид­ной смолы стекает с пластыря. Все это снижает качество ре­монта скважин.

Для ремонта обсадных колонн диаметром 146 и 168 мм стальными пластырями разработаны (ТУ 39-01-08-466-79) уст­ройства ДОРН-1 (Д-146-1 и Д-168-1), позволяющие транспор­тировать и устанавливать пластырь на участке дефекта об­садной колонны.

ДОРНы являются основными элементами в комплексе уст­ройств для ремонта обсадных колонн пластырями.

Устройство ДОРН-1 (рис. 6.21 а, б, в) состоит из гидравли­ческой дорнирующей головки, полой связующей штанги, си­ловых гидравлических цилиндров и циркуляционных клапа­нов. Упор пластыря обеспечивается в устройстве ДОРН. Пла­стырь расширяют дорнирующей головкой снизу вверх с пред­варительной запрессовкой заданного отреза силовыми цилин­драми.

Принцип работы устройства Д-146-1 (Д-168-1) заключается в следующем.

Рис. 6.20. Устройство для установки пластырей в обсадных колоннах фирмы «Хомко»:

а-общий вид устройства; б-механическая цанговая дорнирующая головка с гладким конусом; в-механическая цанговая дорнирующая головка с профильным конусом;

1-головка; 2-аварийный отворот; 3-пластырь; 4-штанга; 5-упор; 6-силовой цилиндр; 7-якорь; 8-сливной клапан; 9-пружинный управляющий орган сливного клапана.

Рис. 6.21. Устройство типа ДОРН для тарнспортировки и установки пластырей в обсадных колоннах:

а-модификация Д-1 первого исполнения:1-упор; 2-пластырь; 3-конус; 4-разделительная камера; 5-манжета; 6-калибрующие секторы; 7-штанга; 8-силовой телескопический гидравлический цилиндр; 9-обратный клапан;

б-модификация Д-1 второго исполнения: 1-упор; 2-пластырь; 3-конус; 4- калибрующие секторы; 5-манжета; 6-штанга; 7- силовой гидравлический цилиндр; 8- обратный клапан;

в-модификация Д-1 третьего исполнения:1-сливной клапан; 2-заливной клапан; 3- силовой гидравлический цилиндр; 4- пластырь; 5-штанга; 6-гидравлическая дорнирующая головка;

г-модификация Д-2:1-циркуляционный клапан; 2-гидравлический якорь; 3-пластырь; 4-гидравлическая дорнирующая головка

Устройство в сборе с пластырем, расположенным между дорнирующей головкой и упором, спускают в скважину с ори­ентацией середины пластыря против дефекта ремонтируемого участка обсадной колонны. Затем в системе создают избыточ­ное гидравлическое давление, обеспечивающее необходимые радиальные усилия на подвижные калибрующие секторы дорнирующей головки и осевые усилия на поршни в силовых ци­линдрах.

На первом этапе заданный отрезок пластыря запрессовы­вают в стенку обсадной колонны протягиванием лорнирую­щей головки за счет осевых усилий под действием гидравли­ческого давления на поршни силовых цилиндров, с которыми посредством полых штанг соединена головка.

Предварительное выпрямление пластыря осуществляется конусным пуансоном, а окончательная запрессовка к стенке обсадной колонны до контакта, обеспечивающего удерживаю­щую силу сцепления, — подвижными калибрующими сектора­ми головки, причем радиальные усилия на секторы создаются в момент захода их в пластырь.

Второй этап запрессовки пластыря на всей оставшейся длине осуществляется подъемом устройства с помощью талевой сис­темы при сохранении давления в дорнирующей головке, после прохода которой через пластырь снимают давление в системе и устройство поднимают на поверхность.

Заполнение жидкостью устройства и труб при спуске и слив ее при подъеме происходит через обратный и срезной клапа­ны циркуляционной системы. Отверстия сливного клапана от­крываются при смещении вниз втулки клапана от удара стер­жнем по крестовине. Стержень спускают по трубам перед подъемом устройства на поверхность.

К недостаткам ДОРН-1 относятся громоздкость, большая металлоемкость, высокая трудоемкость и сложность сборки и эксплуатации, зависимость между собой осевых и радиальных нагрузок при установке пластыря на первом этапе.

Другим устройством, разработанным В. А. Юрьевым, явля­ется ДОРН-2 (рис. 6.21, г). Здесь упор пластыря обеспечивается на обсадную колонну через якорь устройства, а установку пла­стыря осуществляют протяжкой дорнирующей головки при подъеме инструмента снизу вверх без разрыва во времени между этапами предварительной и окончательной запрессовки.

Это устройство значительно меньше по длине и массе, ме­нее трудоемко в изготовлении, несложно в эксплуатации и сборке, исключает взаимозависимость осевых и радиальных нагрузок при установке пластыря.

Принцип ДОРН-2 заключается в следующем.

После спуска пластыря в зону ремонтируемого участка об­садной колонны в устройстве создается избыточное гидравли­ческое давление, которое через самоуплотняющуюся эластич­ную диафрагму обеспечивает радиальные усилия на подвиж­ные калибрующие секторы дорнирующей головки.

Одновременно через диафрагму якоря создается давление на плашки якоря, которые, радиально перемещаясь, контакти­руют со стенками обсадной колонны.

Первый этап установки пластыря в ремонтируемом участ­ке обсадной колонны осуществляется подъемом инструмента при протягивании дорнирующей головки через пластырь. При этом якорь остается на месте, удерживая пластырь от осевого смещения при его запрессовке. Освобождается якорь от об­садной колонны снятием давления на плашки при перетоке жидкости из напорной камеры в разгрузочную (или за преде­лы устройства в отверстие) по пазам перемещающейся вверх полой штанги, изолируя каналы в ней от напорной камеры и сохраняя давление в дорнирующей головке.

Таким образом, в процессе подъема устройства после пер­вого этапа запрессовки пластыря якорь автоматически отклю­чается от стенок колонны и без разрыва во времени продол­жается второй этап запрессовки пластыря по всей его длине.

После прохода дорнирующей головки через пластырь сни­мают давление в системе и устройство поднимают на поверх­ность.

Для повышения надежности предварительного сцепления пластыря с обсадной колонной в ДОРН-2 предусмотрено по­вторение первого (предварительного) этапа запрессовки плас­тыря без снятия его с упора. В таком случае подъем инстру­мента останавливают после протяжки дорнирующей головки на длине 1300 мм, т. е. на 200 мм меньше полного хода (1500 мм) предварительной запрессовки, что необходимо для сохранения давления на плашки якоря.

После остановки подъема инструмента давление в системе снимают и инструмент опускают в исходное (первоначальное) положение. Затем создают давление и производят протяжку дорнирующей головки по всей длине пластыря. Якорь в этом случае отключают (устанавливают в транспортное положение) после прохода головкой 1500 мм.

Недостатком ДОРН-2 является то, что под действием ради­альных усилий в местах контакта плашек якоря не исключает­ся возможность повреждения стенок обсадной колонны.

В целях повышения надежности работы, а следовательно, и качества ремонта скважин устройства для установки пласты­рей постоянно совершенствовались.

Так, компоновка узлов ДОРН-1 имеет три варианта. В пер­вом варианте (см. 6.21, а) силовые цилиндры с гидравлической дорнирующей головкой располагались под пластырем, а цир­куляционные клапаны с упором — над ним. Гидравлическая головка имела свою разделительную камеру с поршнем, а си­ловые цилиндры были выполнены по телескопической схеме. Во втором варианте (см. рис. 6.21,6) была аннулирована разъе­динительная камера, а телескопическая схема силовых цилин­дров заменена двумя последовательно расположенными и син­хронно действующими силовыми цилиндрами. Недостатком такой компоновки является то, что в момент заклинивания го­ловки с пластырем в обсадной колонне в скважине оставалось в основном все устройство, и как следствие, осложнялась лик­видация аварии. Кроме того, отсутствовала возможность спус­кать пластырь до забоя на длину силовых цилиндров. ДОРН-1 в первом и втором вариантах не обеспечивал достаточных осе­вых усилий для предварительного расширения и предваритель­ного сцепления пластыря со стенками обсадной колонны на первом этапе запрессовки пластыря.

Эти недостатки были устранены в третьем варианте (см. рис. 6.21, в) введением приспособления для аварийного отво­рота ниже силовых цилиндров. Кроме того, силовые цилиндры с упором расположили над пластырем. Дорнирующую головку конструктивно оформили в самостоятельный узел и закрепи­ли на полой связующей штанге под пластырем. Рабочий ход силовых цилиндров для предварительного протягивания дор­нирующей головки через пластырь на первом этапе запрес­совки составляет 1500 мм вместо 500 мм. Количество силовых цилиндров увеличено с двух до трех. Давление в дорнирую-щую головку поступает при заходе ее подвижных калибрую­щих секторов в пластырь, что значительно снижает осевые усилия.

В устройстве типа ДОРН-2 усовершенствована работа яко­ря (рис. 6.22), благодаря чему можно вводить дорнирующую головку в пластырь без давления, а также производить его по­вторную калибровку без подъема устройства на поверхность с сохранением давления в головке при транспортном (отключен­ном) положении якоря.

Определяющую роль в работе устройства выполняет дор-нирующая головка, функции которой заключаются в предва­рительном расширении и окончательном сопряжении пласты­ря с обсадной колонной.

Рис. 6.22 схема работы ДОРН-2 I этап-спуск устройства к дефекту обсадной трубы в скважине и якорение; II этап-заход формирующей головки в пластырь без давления и автоматическая подача давления в головку; III этап-окончание рабочего хода головки для сцепления пластыря и отключения якоря; IV этап-протяжка головки на выходе из пластыря при его расширении; l-длина захода головки в пластырь без давления; l1-рабочий ход головки при наличии упора.

Рис. 6.23. дорнирующие головки к устройствам типа ДОРН: а-механическая: 1-корпус; 2-цанговые калибрующие плечики с упругими свойствами материала; б-механическая: 1-комбинированный конус с цанговые калибрующие плечиками; 2-расширяющий конус; в-механическая: 1-калибрующие плечики «ласточкин хвост»; 2-конус с направляющими «ласточкиного хвоста»; г-гидравлическая с гладким конусом: 1-корпус; 2-гладкий конус; 3-манжета; 4-калибрующие секторы; д-гидравлическая с профильным конусом: 1-профильный конус; 2-корпус; 3-манжета; 4-калибрующие секторы; е-гидромеханическая: ж,з-гидравлические

Проведены исследования и разработано несколько типов дорнирующих головок, которые по принципу действия разделяются на гидравлические, механические и гидромеханические (рис. 6.23)

Гидравлическая дорнирующая головка от разработки до внедрения в серийное производство претерпела ряд изменений. В первом (рис. 6.23, а) и во втором (рис. 6.23, б) исполнениях головка была составной частью силовых цилиндров и имела ряд конструктивных и эксплуатационных недостатков; коэффициент успешности этих головок был низким.

После совершенствования и модернизации гидравлическая головка конструктивно оформилась в самостоятельный узел (рис. 6.23, г, д). Она состоит из корпуса, конусного пуансона, самоуплотняющейся упругой диафрагмы (манжета) и подвижных калибрующих секторов.

Существенным преимуществом усовершенствованной гидравлической дорнирующей головки, в отличие от механических, в том числе и американского производства, является то, что она позволяет с помощью подвижных калибрующих секторов, не меняя их, устанавливать пластырь как с положительным, так и с отрицательным натягом в обсадной колонне для всех толщин стенок одного типоразмера, причем не только с цилиндрическим, но и с овальным поперечным сечением колонны. Кроме того, она дает возможность осуществлять многоразовую калибровку пластыря под давлением без подъема устройства на поверхность и регулировать с поверхности радиальные усилия на нее.

Рис.6.24. Конструкции манжет

Конструктивным изменениям и существенной доработке подвергалась манжета (рис. 6.24).

Одни конструкции манжет, применяемые в гидравлической дорнирующей головке устройства ДОРН-1 (рис. 6.24, а, б, в), оказались неработоспособными, а другие (рис. 6.24, г, д) выдерживают на отказ не более пяти операций. Наилучшие показатели по надежности и долговечности имеет манжета (рис. 6.24, е), которая в 1984 г. была разработана на заводе «Электрон» (г. Тюмень).

Манжета (рис. 6.24, ж) применяется в гидравлической головке (см. рис. 6.21, г) и гидравлическом якоре (рис. 6.25) устройства ДОРН-2. По надежности и долговечности она показала хорошие результаты. После 10-летнего хранения и 50-разового испытания манжеты дефектов не обнаружено.

Конструктивным изменениям подвергся также конус, выполняющий роль предварительного расширителя пластыря как по размерам угла захода, так и по форме. Экспериментальные испытания показали, что наименьшие усилия предварительного расширения пластыря в обсадной колонне получены при использовании дорнирующей головки, оснащенной гладким конусом (см. рис. 6.23, г) с углом захода 20⁰.

Профильным конус (см. рис. 6.23, д) расширяет пластырь с усилием в два раза большим, чем гладкий (рис. 6.26). Краткая характеристика устройств типа ДОРН моделей Д-1 и Д-2 приведена в табл. 6.2.

Рис. 6.25. Гидравлический якорь устройства ДОРН-2: 1-шток; 2-корпус; 3-манжета; 4-плашки; 5-ограничители

В настоящее время продолжается совершенствование и модернизация отдельных узлов и деталей в целях повышения надежности работы устройства ДОРН и улучшения качества ремонта скважин. Так, в конструкцию введен шламосборник для улавливания песка и других посторонних предметов в жидкости, поступающей в устройство. Ведется разработка гальванического покрытия (хромирования) штоков, наносимого на внутреннюю поверхность силовых цилиндров, что значительно увеличивает срок службы устройств. Усовершенствована циркуляционная система. Разработан комбинированный клапан, который позволяет перекрывать сливное отверстие при создании давления в системе и открывать его после сброса избыточного давления.

Клапан прост в изготовлении, меньше по габаритам и массе в сравнении с применяемым в ДОРН-1.

Рис. 6.26. Зависимость осевых усилий от величины натяга при установке (расширении) пластыря в обсадной трубе диаметром 146 мм:

1-усилие протяжки гладким конусом (Д-2); 2-усилие протяжки профильным конусом (Д-1); 3-суммарное усилие протяжки головкой под давлением 12МПа с гладким конусом (Д-2); 4- суммарное усилие протяжки головкой под давлением 12МПа с профильным конусом.

Сравнительная характеристика технического уровня зарубежных и отечественных устройств для установки пластырей в обсадной колонне приведена в табл. 6.3.

Т а б л и ц а 6.2