Тампонажное устройство

 

Изобретение относится к бурению скважин. Цель - повышение надежности работы, упрощение эксплуатации, упрощение монтажа, исключение скручивания гибкого элемента. Устройство содержит контейнер с поршнем, разделяющим его на надпоршневую и рабочую полости. Рабочая полость заполнена тампонажным материалом. Над контейнером установлен струйный пульсатор с подводящим и выходным каналами. Выходной канал гидравлически связан с надпоршневой полостью. С поршнем соединен гибким элементом сигнализатор окончания рабочего хода поршня в виде гидравлического затвора. В надпоршневой полости соосно и с возможностью вращения относительно контейнера установлена катушка с осевым каналом. Гибкий элемент намотан на катушку. На участке намотки гибкого элемента на наружной поверхности катушки выполнена продольная прорезь под гибкий элемент. Нижняя часть гибкого элемента взаимодействует с фиксатором. В нижней части катушки в сквозном радиальном отверстии установлена съемная рукоятка. Гибкий элемент связан с крючками, закрепленными на затворе и поршне с возможностью осевого вращения. Устройство опускают в скважину, включают вращение и буровой насос. Вырабатываемое пульсатором давление передается в надпоршневую полость и через поршень воздействует на раствор. Раствор выдавливается из рабочей полости через отверстия в скважину. При движении поршня вниз гибкий элемент выходит из-под фиксатора и разматывается с катушки. В нижнем положении поршня гибкий элемент перемещает затвор вниз и промывочная жидкость сливается в скважину. Давление в канале падает. После прекращения вращения и подачи жидкости устройство поднимают на поверхность. 2 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к бурению скважин, в частности к устройствам для их тампонирования.

Целью изобретения является повышение надежности работы и упрощение эксплуатации.

На фиг. 1, 2 изображено тампонажное устройство, общий вид; на фиг. 3 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 1.

Тампонажное устройство включает трубчатый контейнер 1 с пробкой 2 на нижнем конце и поршнем 3, разделяющим внутренний объем контейнера на надпоршневую 4 и рабочую 5 полости, последняя из которых заполнена тампонажным раствором, опорную трубу 6 со сливными отверстиями 7 на верхнем конце, соединенном с нижним концом контейнера 1, и установленный над контейнером струйный пульсатор, содержащий корпус 8 с осевым каналом и сливными окнами 9, верхний переходник 10 с подводящим каналом 11, установленный с возможностью вращения относительно оси корпуса 8, нижний переходник 12, соединяющий корпус 8 с контейнером 1, питающее 13 и приемное 14 сопла, размещенные в осевом канале корпуса 8 эксцентрично относительно его оси и соосно друг с другом и гидравлически связанные соответственно с каналом 11 и полостью 4, и дефлектор 15, выполненный в виде диска с отверстиями 16, размещенного в корпусе 8 между питающим 13 и приемным 14 соплами.

Питающее сопло 13 имеет обойму 17, закрепленную центральным стержнем 18 относительно нижнего переходника 12, а приемное сопло 14 установлено в указанном переходнике. Дефлектор 15 выполнен с осевым отверстием, через которое проходит стержень 18, и соединен патрубком 19 с верхним переходником 10 с возможностью их совместного вращения.

Обойма 17 размещена в патрубке 19 и снабжена в верхней части патрубком 20 и уплотнением 21, поджатым пружиной 22, а отверстия 16 в дефлекторе 15 расположены эксцентрично относительно его оси с эксцентриситетом, равным эксцентриситету сопл 13 и 14. Между нижним торцом обоймы 17 и верхним торцом переходника 12 имеется сопловая полость 23, сообщающаяся с затрубным пространством через сливные окна 9.

Устройство может быть снабжено пакером, выполненным, например, в виде набора упругих уплотнительных элементов 24 и разделительных колец 25. Для разобщения вращающихся и неподвижных деталей между верхним переходником 10 и корпусом 8 установлен подшипник 26, пакер выполнен с возможностью исключения взаимного проворачивания его подвижных и неподвижных частей (например, за счет применения в его конструкции шпоночного или шлицевого соединения деталей), а на конце опорной трубы 6 установлена буровая коронка 27, препятствующая вращению опорной трубы относительно забоя скважины.

Устройство снабжено сигнализатором окончания рабочего хода поршня 3, содержащим выполненный в обойме 17 перепускной канал 28, вход которого сообщается с подводящим каналом 11, а выход с затрубным пространством, и установленный на входе канала 28 подпружиненный гидравлический затвор 29, соединенный штоком 30 и гибким элементом 31 (например, тросом) с рабочим поршнем 3. Гибкий элемент 31 снабжен катушкой 32 с осевым каналом для прохода промывочной жидкости и гибкого элемента. Катушка 32 размещена в надпоршневой полости 4 в патрубке 33 соосно с контейнером 1, а ее верхний конец, обращенный к пульсатору, установлен в гильзе 34, верхний конец которой соединен с нижним переходником 12 пульсатора, а нижний с патрубком 33. При этом верхний конец катушки 32 установлен с возможностью вращения относительно гильзы 34. Для облегчения вращения гильза 34 снабжена подшипниками 35 и 36, защищенными от загрязнения уплотнительными резиновыми манжетами 37 и 38. В катушке 32 на участке намотки на нее гибкого элемента 31 выполнена осевая прорезь 39, ширина которой, в целях обеспечения свободного прохода через нее гибкого элемента 31 в начале наматывания и в конце разматывания, превышает по величине толщину указанного элемента. На нижнем конце катушки 32 установлен фиксатор 40, исключающий возможность разматывания и запутывания гибкого элемента 31 при сборке и транспортировке устройства по скважине.

Фиксатор может иметь различную конструкцию. Он может быть выполнен, например, в виде плоской пружины 40, установленной на наружной поверхности катушки 32 вдоль ее оси. Верхний конец пружины 40 прикреплен к катушке 32, в нижнем конце которой в зоне нижнего конца язычка пружины 40 выполнен торцевый радиальный паз 41, служащий для обеспечения возможности доступа к язычку пружины пальца руки для подъема язычка в момент установки под него фиксируемого конца гибкого элемента 31. На наружной поверхности катушки 32 под язычком пружины 40 выполнена кольцевая проточка 42, в которую укладывается последний виток гибкого элемента 31, прижимаемый фиксатором 40 к катушке.

Для исключения возможности запутывания гибкого элемента 31 после его расфиксации в процессе работы устройства, а также возможности заклинивания гибкого элемента в радиальном зазоре между катушкой 32 и внутренней поверхностью контейнера 1 должно соблюдаться следующее условие, исключающее возможность перехлеста соседних витков в указанном зазоре: δ< d, (1) где δ радиальный зазор между витками гибкого элемента 31 и внутренней поверхностью контейнера 1 (см. фиг. 4); d толщина (или диаметр) гибкого элемента 31.

Величину зазора δ в соответствии с фиг. 4 можно записать в виде выражения δ (2) где D внутренний диаметр контейнера; D_к наружный диаметр катушки 32 на участке намотки на нее гибкого элемента 31.

С учетом выражений (1) и (2) условие, исключающее возможность запутывания и заклинивания гибкого элемента после его расфиксации, можно записать в виде D_к > В 4d. (3) Для исключения заклинивания гибкого элемента 31 в радиальном зазоре между катушкой 32 и внутренней поверхностью контейнера 1 при сборке устройства в соответствии с фиг. 4 должно соблюдаться условие D_к + 2d < D или
D_к < D 2d. (4)
С учетом выражений (3) и (4) наружный диаметр D_к катушки 32 определяется из соотношения
D 4d < D_к < D 2d.

Для упрощения намотки гибкого элемента 31 катушка 32 снабжена съемной рукояткой 43 вращения, которая вставляется в сквозное радиальное отверстие 44, выполненное на нижнем конце катушки. С целью исключения скручивания гибкого элемента 31 при его наматывании на катушку 32, а также при разматывании гибкого элемента с катушки в процессе работы устройства, шток 30 и поршень 3 снабжены крючками 45 и 46, соединяющими их с гибким элементом 31. При этом крючки 45 и 46 установлены с возможностью вращения относительно оси устройства, для чего конец штока 30 и поршень 3 выполнены с гнездами, имеющими кольцевые внутренние буртики, а крючки 45 и 46 с кольцевыми наружными буртиками, которые при натяжении гибкого элемента 31 в конце рабочего хода поршня 3 опираются на внутренние буртики указанных гнезд, обеспечивая передачу с поршня 3 на шток 30 усилия, необходимого для перемещения затвора 29.

Тампонажное устройство работает следующим образом.

Перед заправкой контейнера тампонажным материалом патрубок 33 отсоединяют от контейнера 1 и от гильзы 34, а нижний конец гибкого элемента 31 отсоединяют от крючка 46. Затем пульсатор вместе с гильзой 34 и катушкой 32 устанавливают на подставках в горизонтальном положении, пропускают свободный конец гибкого элемента 31 через осевую прорезь 39 и выводят его наружу из катушки 32. В отверстия 44 вставляют рукоятку 43, натягивают верхний конец гибкого элемента 31 и, вращая рукоятку 43, наматывают его на катушку 32 с плотной укладкой витков гибкого элемента. В процессе вращения катушки 32 скручивание верхнего конца гибкого элемента исключается за счет проворачивания крючка 45 в гнезде штока 30. После окончания намотки последний виток гибкого элемента заводят в кольцевую проточку 42 под фиксатор 40 и далее спускают по проточке 42 в прорезь 39 и из нее в осевое отверстие катушки. Затем снимают рукоятку 43 с катушки 32, соединяют свободный конец гибкого элемента 31 с крючком 46 поршня 3, вставляют поршень 3 в патрубок 33 и наворачивают патрубок 33 на гильзу 34.

После заправки рабочей полости 5 контейнера 1 тампонажным раствором наворачивают нижний конец патрубка 33 на контейнер и опускают устройство в скважину к зоне тампонирования, расположенной над естественным или искусственным забоем. По достижении забоя устройство нагружают осевым усилием с опорой на забой. Под действием указанного усилия упругие элементы 24 пакера сжимаются и перекрывают ствол скважины над тампонируемым интервалом, после чего приводят во вращение буровую колонну, на которой подвешено устройство, и включают буровой насос, соединенный с буровой колонной. При этом дефлектор 15 приводится во вращение от верхнего переходника 10, соединенного с буровой колонной, а промывочная жидкость поступает по буровой колонне к подводящему каналу 11 и из него к питающему соплу 13, на выходе которого формируется напорная струя. В процессе вращения дефлектора 15 ось каждого из его отверстий 16 периодически (при каждом обороте дефлектора) сходится и расходится с общей осью сопл 13 и 14. При схождении оси отверстия 16 с осью сопл 13 и 14 напорная струя, формируемая соплом 13, попадает в торцовое отверстие приемного сопла 14, вызывая в нем импульсное повышение давления, а при расхождении оси отверстия 16 и оси сопл 13 и 14 дефлектор 15 перерезает напорную струю, перекрывая ее доступ к приемному соплу 14 и вызывая тем самым импульсное падение давления в сопле 14. При схождении с осью сопл 13 и 14 оси следующего отверстия 16 дефлектора 15 в приемном сопле 14 формируется очередной импульс давления.

В результате на выходе приемного сопла 14 формируется пульсирующее давление, частота которого равна частоте вращения дефлектора 15, умноженной на число отверстий 16 в нем. Вырабатываемое пульсатором пульсирующее давление передается в надпоршневую полость 4 контейнера и через поршень 3 воздействует на тампонажный раствор, находящийся в рабочей полости 5. Под воздействием пульсирующего давления со стороны тампонажного раствора пробка 2 выбивается из нижнего отверстия контейнера 1, после чего поршень 3, на который действует пульсирующее давление со стороны надпоршневой полости 4, вытесняет тампонажный раствор из рабочей полости 5 контейнера через сливные отверстия 7 в тампонируемую зону скважины. Промывочная жидкость, не попадающая в приемное сопло 14 в периоды, когда напорная струя перерезается дефлектором 15, сливается из сопловой полости 23 в затрубное пространство скважины через сливные отверстия 9.

В процессе перемещения поршня 3 вниз он выводит нижний конец гибкого элемента 31 из-под фиксатора 40 и разматывает его с катушки 32. При этом скручивание гибкого элемента 31 в процессе его разматывания исключается за счет свободного проворачивания нижнего конца указанного элемента вместе с крючком 46 относительно поршня 3. При подходе поршня 3 к крайнему нижнему положению гибкий элемент 31 полностью разматывается, проходит через осевую прорезь 39 катушки 32 и натягивается, перемещая затвор 29 вниз. При этом промывочная жидкость сливается из подводящего канала 11 через перепускной канал 28 в верхнюю часть сопловой полости 23, заключенную между обоймой 17 и дефлектором 15, откуда через отверстия 16 дефлектора сливается в нижнюю часть сопловой полости 23 и через сливные отверстия 9 в затрубное пространство. В результате давление в подводящем канале 11 снижается, что сопровождается понижением давления по всему столбу промывочной жидкости, заполняющей буровую колонну, и в конечном итоге передается к поверхностному сигнальному устройству, вырабатывающему информационный сигнал, оповещающий бурового мастера об окончании работы устройства. После получения указанного сигнала вращение колонны и подачу рабочей жидкости прекращают, а тампонажное устройство поднимают на поверхность. При этом затвор 29 и детали пакера возвращаются в исходное положение под действием упругих сил пружины затвора 29 и уплотнительных элементов 24 пакера.

Введение в конструкцию устройства катушки с фиксатором гибкого элемента позволяет упростить и ускорить укладку последнего в надпоршневой полости контейнера и исключает запутывание гибкого элемента до окончания рабочего хода поршня, что, в свою очередь, исключает преждевременное срабатывание сигнализатора и, соответственно, преждевременный подъем тампонажного устройства. Благодаря этому упрощается эксплуатация устройства и повышается надежность его работы.

Формула изобретения

1. ТАМПОНАЖНОЕ УСТРОЙСТВО, включающее контейнер с поршнем, разделяющим его на надпоршневую полость и рабочую полость, заполненную тампонажным материалом, струйный пульсатор с подводящим каналом и выходным каналом, гидравлически связанным с надпоршневой полостью, и сигнализатор окончания рабочего хода поршня в виде гидравлического затвора, соединенного гибким элементом с последним, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе и упрощения эксплуатации, оно снабжено катушкой с осевым каналом, установленной в надпоршневой полости соосно и с возможностью вращения относительно контейнера, и фиксатором гибкого элемента, который намотан на катушку с возможностью взаимодействия своей нижней частью с фиксатором, при этом на наружной поверхности катушки на участке намотки гибкого элемента выполнена продольная прорезь под последний, а наружный диаметр D_k катушки на этом участке определен из соотношения
D - 4d < D_k < D - 2d,
где D - внутренний диаметр контейнера;
d - диаметр гибкого элемента.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью упрощения монтажа, оно снабжено съемной рукояткой, а в нижней части катушки под нее выполнено сквозное радиальное отверстие.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, с целью исключения скручивания гибкого элемента, оно снабжено крючками, связанными с гибким элементом и закрепленными на затворе и поршне с возможностью осевого вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4