Устьевой гидравлический вибратор

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для цементирования обсадных колонн. Обеспечивает повышение качества цементирования и возможность многократного использования устройства. Сущность изобретения: вибратор включает полый разъемный корпус, между частями которого установлена перегородка с осевым каналом и циркуляционными отверстиями. Устройство включает запорный элемент, полую цилиндрическую втулку, размещенную концентрично внутри полого разъемного корпуса. Имеется шток, установленный с возможностью осевого перемещения относительно полой цилиндрической втулки посредством возвратной пружины. Согласно изобретению в верхней части полый разъемный корпус содержит диффузор и расположенное над ним седло. В нижней части полый разъемный корпус жестко связан с переходником и имеет продольный паз. Над переходником, на внешней поверхности полого разъемного корпуса, установлена регулировочная гайка с фиксатором. В осевом канале перегородки установлена воронка, в которой размещен запорный элемент, выполненный в виде полого шара с расположенным внутри него шаром-противовесом. Полая цилиндрическая втулка выполнена с внутренним кольцевым выступом в верхней части и жестко связана с фиксатором через продольный паз полого разъемного корпуса и установлена с возможностью осевого перемещения. Под внутренним кольцевым выступом расположена шайба, жестко связанная с нижним концом штока. 2 ил.

 

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для цементирования обсадных колонн.

Анализ существующего уровня показал следующее:

- известен устьевой вибратор (Устройство для расхаживания обсадных колонн, а.с. 1618865 от 04.01.88 г., по кл. Е 21 В 33/13, опубл. в ОБ №1, 07.01.91 г.). Вибратор включает полый корпус, содержащий переходную гайку (переходник) в верхней части, седло, возвратную пружину, зафиксированную гайкой (упором), и запорный элемент. Запорный элемент выполнен в виде шара. В полом корпусе выполнена полость с подпружиненным штоком (плунжером), возвратной пружиной и регулировочной гайкой.

Недостатками описанной конструкции является низкое качество цементирования.

Это обусловлено рядом причин:

- устройство не позволяет создавать импульсы давления в прокачиваемой жидкости, так как направлено на возбуждение вибрационных нагрузок в верхней части колонны труб;

- невозможно регулировать частоту и амплитуду упругих колебаний в трубах в процессе работы, так как силой предварительной деформации пружины путем поворота гайки регулируется верхний предел допустимой переменной нагрузки, а частота колебаний, кроме величины предварительной деформации пружины, определяется чередованием пазов и выступов на рейке и сжимаемостью рабочего агента;

- известен гидравлический вибратор, устанавливаемый на забое (Башмак обсадной колонны, п. 1661372 от 07.12.89 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ №25, 07.07.91 г.). Устройство состоит из полого корпуса с переходной гайкой (переводником) в верхней части, который жестко связан с переходником (переводником) в нижней части. Запорный элемент выполнен в виде шара, перекрывающего седло (кольцевой выступ поршня-клапана). Шток (поршень-клапан) установлен в корпусе с возможностью осевого перемещения посредством возвратной пружины.

Недостатками описанного устройства являются: низкое качество цементирования и однократное использование.

Это обусловлено рядом причин:

- устройство устанавливается на забое и после окончания процесса цементирования подлежит разбуриванию;

- регулировать частоту и амплитуду колебаний в процессе цементирования скважины невозможно, так как частота импульсов подбирается путем изменения размеров деталей и расхода раствора для каждого конкретного случая. Расход раствора определяется расчетами для каждой скважины и в процессе цементирования изменению не подлежит. Подобрать размеры деталей практически невозможно, так как, чтобы существовал перепад давления на пазах, их сечение должно быть меньше площади сечения отверстий в наковальне. При условии h>h₁ поршень-клапан садится торцом на наковальню, с прекращением гидравлической связи пазов с отверстиями и открытием кольцевого зазора между шаром и кольцевым выступом. Осевой канал в верхнем переводнике имеет больший размер, чем шар, поскольку последний проходит через него. Отсюда в осевом канале поршня-клапана даже при отсутствии шара существует перепад давления. При наличии шара этот перепад многократно возрастет, что приведет к постоянному поджиму поршня-клапана к наковальне, без генерации продольных волн;

- выполнение шара целым, с совпадением центра масс с геометрическим центром, приводит к его хаотическому вращению, в результате чего создание поперечных колебаний, с генерацией упругих колебаний в трубах, не гарантировано;

- в качестве прототипа выбран гидравлический вибратор, устанавливаемый на забое (Устройство для цементирования эксплуатационной колонны труб, п. 1438295 от 30.09.86 г. по кл. Е 21 В 33/14, опубл. в ОБ №3, 99 г.). Устройство состоит из полого разъемного корпуса, части которого соединены муфтой. Между частями установлена перегородка (экран) с осевым каналом и циркуляционными отверстиями. Устройство также включает запорный элемент (нижний рабочий элемент) и полую цилиндрическую втулку (патрубок), размещенную концентрично внутри полого разъемного корпуса. Шток установлен с возможностью осевого перемещения относительно полой цилиндрической втулки посредством возвратной пружины. Возвратная пружина зафиксирована гайкой в нижней части полой цилиндрической втулки.

Недостатками описанного устройства являются: низкое качество цементирования и однократное использование.

Это обусловлено рядом причин:

- устройство устанавливается на забое и после окончания процесса цементирования подлежит разбуриванию;

- возвратно-поступательное движение запорному элементу (нижнему рабочему элементу) обеспечивает пружина, что не позволяет генерировать в трубах упругие колебания высокой частоты;

- регулировать частоту и амплитуду колебаний в процессе цементирования скважины невозможно, так как частота колебаний определяется заранее рассчитанными для данных расходов растворов характеристиками пружины и размерами отверстий.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, обеспечивает повышение качества цементирования и возможность многократного использования устройства за счет:

- установки устройства на устье скважины;

- возможности создания высокочастотных упругих колебаний в трубах;

- возможности регулирования частоты и амплитуды продольных и поперечных колебаний полого шара с соответствующим изменением частоты и амплитуды импульсов давления в прокачиваемой жидкости и частоты и амплитуды упругих колебаний в трубах в процессе работы устройства, без остановки технологического процесса цементирования обсадной колонны.

Технический результат достигается с помощью известного гидравлического вибратора, включающего полый разъемный корпус, части которого соединены муфтой. Между частями установлена перегородка с осевым каналом и циркуляционными отверстиями. Устройство также включает запорный элемент и полую цилиндрическую втулку, размещенную концентрично внутри полого разъемного корпуса. Шток установлен с возможностью осевого перемещения относительно полой цилиндрической втулки посредством возвратной пружины. Возвратная пружина зафиксирована гайкой в нижней части полой цилиндрической втулки.

Согласно изобретению:

в верхней части полый разъемный корпус содержит диффузор, расположенное над ним седло, зафиксированные переходной гайкой;

в нижней части полый разъемный корпус жестко связан с переходником и имеет продольный паз;

над переходником на внешней поверхности полого разъемного корпуса установлена регулировочная гайка с фиксатором;

в осевом канале перегородки установлена воронка, в которой размещен запорный элемент, выполненный в виде полого шара, с расположенным внутри него шаром-противовесом;

полая цилиндрическая втулка выполнена с внутренним кольцевым выступом в верхней части жестко связана с фиксатором регулировочной гайки через продольный паз полого разъемного корпуса и установлена с возможностью осевого перемещения;

под внутренним кольцевым выступом расположена шайба, жестко связанная с нижним концом штока.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.

Конструкция заявляемого устьевого гидравлического вибратора поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 представлена конструкция вибратора в исходном положении в продольном разрезе;

на фиг.2 представлена конструкция вибратора в момент перекрытия седла запорным элементом и верхнего положения полой цилиндрической втулки.

Заявляемый устьевой гидравлический вибратор состоит из полого разъемного корпуса 1, составные части которого соединены муфтой 2, а между ними установлена перегородка 3 с осевым каналом 4 и циркуляционными отверстиями 5. В осевом канале 4 перегородки 3 установлена воронка 6, в которой размещен запорный элемент, выполненный в виде полого шара 7 с расположенным внутри него шаром-противовесом 8. В верхней части полого разъемного корпуса 1 установлен диффузор 9, седло 10, зафиксированные переходной гайкой 11. В нижней части полый разъемный корпус 1 жестко связан с переходником 12 и имеет продольный паз 13. Над переходником 12 на внешней поверхности полого разъемного корпуса 1 установлена регулировочная гайка 14 с фиксатором 15. Внутри полого разъемного корпуса 1 концентрично установлена полая цилиндрическая втулка 16. В верхней части полой цилиндрической втулки 16 выполнен внутренний кольцевой выступ 17. Полая цилиндрическая втулка 16 жестко связана с фиксатором 15 регулировочной гайки 14 и установлена с возможностью осевого перемещения. Шток 18 установлен с возможностью осевого перемещения относительно полой цилиндрической втулки 16 посредством возвратной пружины 19, зафиксированной гайкой 20 в нижней части полой цилиндрической втулки 16. Под внутренним кольцевым выступом 17 расположена шайба 21, жестко связанная с нижним концом штока 18.

Общие сведения об устьевом гидравлическом вибраторе.

Качество заготовок, используемых для изготовления деталей устройства, должно соответствовать нормам химического состава на сталь углеродистую, качественную, конструкционную согласно ГОСТ 1050-88, на сталь легированную конструкционную согласно ГОСТ 4543-71.

Для навивки пружины используют проволоку из стали пружинистой ГОСТ 9389-78.

Конструкция и размеры уплотнительных колец должны соответствовать ГОСТ 9833-73, а качество - ГОСТ 18829-73.

Шероховатость металлических деталей должна соответствовать ГОСТ 2789-73 и техническим требованиям чертежей.

Метрические резьбы должны выполняться по ГОСТ 8724-81 с профилем по ГОСТ 9150-81, основными параметрами по ГОСТ 24705-87 и допусками по ГОСТ 16093-81.

Устройство имеет следующие габариты:

наружный диаметр, мм 180

длина, мм 1000

масса, кг 42

Работа устройства.

Устройство подсоединяют к выкидной линии затрубного пространства перед цементированием колонны обсадных труб через переходную гайку 11. Полая цилиндрическая втулка 16 со штоком 18 находятся в крайнем нижнем положении, при этом регулировочная гайка 14 нижним торцом упирается в переходник 12, а полый шар 7 располагается внутри воронки 6, не препятствуя проходу промывочной жидкости из затрубного пространства скважины в осевой канал устройства (см. фиг.1). После осуществления промывки ствола скважины промывочной жидкостью в затрубное пространство скважины подают тампонажный раствор. В момент подачи тампонажного раствора в затрубное пространство скважины вращением регулировочной гайки 14 перемещают последнюю на 80 мм, что соответствует перемещению полой цилиндрической втулки 16 со штоком 18 в положение, при котором полый шар 7 выводится из воронки 6 и штоком 18 вводится в диффузор 9 (см. фиг.2). Поскольку полый шар 7 опирается на торец штока 18 и занимает неустойчивое положение в потоке тампонажного раствора, он совершает поперечные колебания с механическим взаимодействием со стенкой диффузора 9, генерируя упругие колебания в трубах. Находящийся внутри полого шара 7 шар-противовес 8, центр тяжести которого располагается ниже геометрического центра полого шара 7, позволяет последнему совершать поперечные колебания без хаотического вращения в потоке рабочей жидкости, обтекающей его. При восприятии перепада давления полым шаром 7, действующим сверху, последний передает осевое усилие на шток 18, который через шайбу 21 воздействует на пружину 19, что приводит к перемещению вниз штока 18 и полого шара 7 с увеличением кольцевого зазора между полым шаром 7 и стенкой диффузора 9. Это приводит к увеличению расхода жидкости и снижению перепада давления. Полый шар 7 штоком 18 вновь вводится в диффузор 9, и процесс генерации импульсов давления в прокачиваемом тампонажном растворе повторяется.

При дальнейшем повороте регулировочной гайки 14 и подъемом ее до упора с муфтой 2 полая цилиндрическая втулка 16 перемещается в крайнее верхнее положение. При этом пружина 19 сжимается, увеличивая силу поджатия полого шара 7 к седлу 10, в результате чего амплитуда продольных и поперечных колебаний полого шара 7 уменьшается, а частота увеличивается. Перевод регулировочной гайки 14 вниз в положение между муфтой 2 и переходником 12 приводит к увеличению амплитуды продольных и поперечных колебаний полого шара 7 с соответствующим уменьшением частоты колебаний.

Анализ изобретательского уровня показал следующее:

- известно задавливание тампонажной смеси в пласт под воздействием колебательных движений рабочего органа в вертикальном и горизонтальном направлениях (см. а.с. 1687767 по кл. Е 21 В 33/13 от 28.12.88 г., опубл. в ОБ №40, 30.10.91 г.);

- известно устройство, расположенное на устье, создающее импульсное воздействие на пласт (см. а.с. 1658687 по кл. Е 21 В 33/03 от 26.07.89 г., опубл. в ОБ №11, 99 г.);

- известно преобразование равномерного потока жидкости в пульсирующий за счет перекрытия осевого канала седла запорным элементом - шаром, поджатым подпружиненным штоком (втулкой). Шток установлен с возможностью осевого перемещения относительно втулки (стакана), размещенной в патрубке. Патрубок установлен на перегородке на резьбовом соединении с возможностью регулирования жесткости пружины (см. а.с. 1535971 по кл. Е 21 В 43/00, от 24.09.87 г., опубл. в ОБ №2, 24.09.87 г.);

- известно создание виброволновых колебаний, образующихся в результате ударных нагрузок шарика по корпусу устройства (см. Доценко В.А. Комплекс оборудования УГФ 168 для создания гравийного фильтра в скважинах ПХГ (инструкция по применению), стр.6, ВНИИГАЗ, 1988 г.);

- известно создание колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению потока, ударами шара о стенки канала втулки, в которой он расположен (см. а.с. 1286721 по кл. Е 21 В 4/14 от 13.02.85 г., опубл. в ОБ №4, 30.01.87 г.).

Таким образом, нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие заявляемую конструкцию устьевого гидравлического вибратора, описанную в отличительной части формулы изобретения.

Технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними.

Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.

Устьевой гидравлический вибратор, включающий полый разъемный корпус, части которого соединены муфтой, а между ними установлена перегородка с осевым каналом и циркуляционными отверстиями, запорный элемент, полую цилиндрическую втулку, размещенную концентрично внутри полого разъемного корпуса, шток, установленный с возможностью осевого перемещения относительно полой цилиндрической втулки посредством возвратной пружины, зафиксированной гайкой в нижней части полой цилиндрической втулки, отличающийся тем, что в верхней части полый разъемный корпус содержит диффузор, расположенное над ним седло, зафиксированные переходной гайкой, а в нижней части полый разъемный корпус жестко связан с переходником и имеет продольный паз, при этом над переходником на внешней поверхности полого разъемного корпуса установлена регулировочная гайка с фиксатором, а в осевом канале перегородки установлена воронка, в которой размещен запорный элемент, выполненный в виде полого шара с расположенным внутри него шаром-противовесом, причем полая цилиндрическая втулка выполнена с внутренним кольцевым выступом в верхней части, жестко связана с фиксатором регулировочной гайки через продольный паз полого разъемного корпуса и установлена с возможностью осевого перемещения, а под внутренним кольцевым выступом расположена шайба, жестко связанная с нижним концом штока.