Устьевой механический вибратор

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для создания гидроимпульсных колебаний в потоке прокачиваемой жидкости. Обеспечивает повышение качества цементирования обсадных колонн скважин. Сущность изобретения: вибратор содержит корпус с подводящим и отводящим каналами и ротор с крыльчаткой, опирающийся на подшипник. Согласно изобретению в корпусе установлен золотник, выполненный с щелевыми прорезями и днищем с отверстиями в его средней части. Золотник установлен в корпусе на резьбе с возможностью осевого перемещения. Ротор с крыльчаткой и отверстиями в днище установлен на подшипнике в осевом канале золотника. Щелевые прорези золотника выполнены ниже места установки ротора для подачи жидкости в скважину, минуя золотник, и выше расположения ротора, с возможностью подачи жидкости в золотник на крыльчатку ротора после его осевого перемещения. Осевой канал золотника перекрыт крышкой со штоком, имеющим возможность его ввода в осевой канал ротора. Ход золотника в корпусе ограничен снизу переходником. 3 ил.

 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для создания гидроимпульсных колебаний в потоке прокачиваемой жидкости с целью повышения качества вторичного цементирования обсадных колонн скважин при ликвидации межколонных и заколонных флюидоперетоков.

Анализ существующего уровня показал следующее:

- известно устройство для вибрационной обработки цементного раствора (№1362116 Е 21 В 33/13, 23/00), содержащее корпус, внутри которого установлен вал с турбиной, вращающийся на перфорированных дисках, продавочную пробку, устанавливаемую над турбиной, камеру со сжатым воздухом, размещенную над валом. С помощью устройства цементный раствор дважды подвергается вибрационной обработке при его закачке, и после окончания процесса продавки за счет прохода освободившегося сжатого воздуха через отверстия дисков.

Недостатками известной конструкции являются:

- изменение частоты гидроимпульсных колебаний возможно только за счет изменения расхода прокачиваемого раствора, т.е. технологический режим цементирования нарушается, так как для получения импульсов заданной частоты колебаний необходимо изменять подачу насосных агрегатов;

- невозможность применения устройства для исправительных цементажей, так как оно может быть использовано только в составе компоновки низа обсадной колонны в скважинах, оконченных бурением;

- циркуляция цементного раствора через устройство приводит к усиленному абразивному износу конструктивных элементов, их преждевременному выходу из строя с соответствующим нарушением технологического процесса;

- однократное использование, необходимость осуществления разбуривания.

Известно устройство для ликвидации прихватов труб в скважине (№1221957 по Е 21 В 23/00), состоящее из корпуса с уплотнительным элементом, ограничительной решетки с коническим хвостовиком, имеющим винтовую рабочую поверхность, шаровым запорным органом и установленных над запорным органом штуцеров.

Недостатками данной конструкции являются:

- невозможность создания колебаний определенной частоты, так как частота генерируемых колебаний зависит от хаотического движения запорного органа. Изменение параметров прокачиваемой жидкости приводит к неопределяемому изменению частоты гидроимпульсных колебаний, причем вращение ограничительной решетки не влияет на частоту колебаний, т.к. площадь сечения перекрываемых каналов остается постоянной.

Известен гидродинамический вибратор (см. пат. РФ №1764345, М. кл. 5 Е 21 В 33/14, опубликованный 15.08.94 Бюл. №15). Вибратор выполнен в виде полого цилиндрического корпуса с перепускными окнами. Внутри корпуса установлен золотник с овальными отверстиями, подпружиненный относительно него с возможностью перекрытия перепускных окон. Внутри рабочей камеры размещен ротор с осью, входящей в углубления корпуса с фиксаторами. С осью ротора жестко соединен эксцентриковый кулачковый толкатель. В нижней части корпуса размещен дроссель с регулируемым отверстием. Входное и выходное отверстия рабочей камеры смещены относительно оси корпуса.

Работает вибратор следующим образом. Вибратор устанавливается в составе обсадной колонны между обратным клапаном и башмаком. За счет энергии потока прокачиваемого раствора происходит вращение турбины с осью, жестко связанной с эксцентриковым кулачком-толкателем, который вращается в овальном пазу ребра, связанного с золотником, и придает поступательное движение золотнику, овальные отверстия которого периодически перекрывают перепускные окна корпуса. Таким образом преобразуется установившийся непрерывный поток жидкости в пульсирующий.

Сверху на золотник действует давление скоростного напора потока рабочей жидкости, уравновешенное снизу пружиной. Изменением степени перекрытия нижних выходных отверстий корпуса резьбовым дросселем устанавливается оптимальное для вибратора давление внутри него.

Турбина с выгнутыми лопастями позволяет использовать для вращения энергию всего проходящего потока и вращается при минимальном давлении и расходе прокачиваемой жидкости. Гидравлический дроссель позволяет регулировать и задавать оптимальную амплитуду давления.

Недостатки конструкции гидродинамического вибратора:

- отсутствует механизм изменения частоты и амплитуды давления, что можно делать только лишь изменением расхода рабочей жидкости, а значит и скорости потока и частоты вращения турбины;

- изменение отверстия дросселя происходит однократно перед установкой вибратора в составе обсадной колонны, и изменить сечение дросселя и частоту вибрации в процессе работы невозможно;

- в начальный момент цементирования скважин, когда осуществляется промывка, гидравлический вибратор включен в работу, в которой нет необходимости, что приводит к преждевременному износу, так как объем промывочной жидкости может быть сравним с несколькими объемами скважины;

- в процессе цементирования скважины цементный раствор в полном объеме прокачивается через устройство с возбуждением в потоке гидродинамических импульсов, частота и амплитуда которых может изменяться в зависимости от расхода тампонажного раствора, задаваемого регламентом цементирования.

Известно устройство – механический вибратор цементировочный (см. Абдулзаде Р.А. и др. Повышение надежности крепления скважин. - М.: ВНИИОЭНГ, 1987, с. 15-20), взятый авторами в качестве прототипа. Оно состоит из полого корпуса, в осевом канале которого установлен на опорах ротор с крыльчаткой и кулачком. Опоры закреплены на входе и выходе из полого корпуса и содержат перфорационные отверстия.

При подсоединении к подводящему концу трубопровода от насосного агрегата, а выходной конец к бурильной колонне труб и подачей с заданным расходом тампонажного раствора происходит воздействие потоком на крыльчатку ротора с приводом его во вращательное движение. Кулачок на валу ротора при вращении перекрывает подачу тампонажного раствора через перфорационное отверстие в нижней опоре, что приводит к возбуждению продольных гидродинамических колебаний в потоке прокачиваемой жидкости с частотой, определяемой частотой вращения ротора. Путем подбора расчетных конструктивных параметров устройства, количества и скорости прокачиваемого тампонажного раствора можно регулировать частоту и мощности создаваемых импульсов.

Однако при проведении цементирования-крепления скважины оно осуществляется в соответствии с регламентом, в котором отражены технологические параметры ведения процесса – давление, расход тампонажного раствора, время проведения работ, а также плотность тампонажного раствора.

Перед проведением технологической операции крепления скважин обычно осуществляют подготовку к ней, заключающуюся к подаче в скважину промывочной жидкости в достаточно большом объеме для очистки стенок скважины и стенки труб обсадной колонны от глинистой пробки. При использовании данного устройства поток промывочной жидкости прокачивается через устройство с приводом во вращение ротора с крыльчаткой и созданием гидродинамических импульсов в потоке, в чем нет необходимости. Это приводит к преждевременному износу устройства, что является недостатком.

Технический результат, который может быть получен при использовании предлагаемого устройства, сводится к следующему:

- использование устройства на устье скважины позволяет контролировать и управлять процессом создания гидроимпульсных колебаний с воздействием на тампонажный раствор;

- возможность многократного применения устройства, т.е. отсутствует необходимость в разбуривании после цементирования скважины;

- расширение диапазона применения для осуществления исправительного цементирования;

- возможность регулирования частоты создаваемых колебаний без изменения расхода тампонажного раствора, закачиваемого в скважину в соответствии с технологическим регламентом цементирования скважин и без остановки технологического процесса;

- возможность создания гидроимпульсных колебаний в потоке тампонажного раствора только в процессе его продавки в затрубное пространство скважины.

Технический результат достигается устьевым механическим вибратором, содержащим корпус с подводящим и отводящим каналами, ротор с крыльчаткой, опирающийся на подшипник. Согласно изобретению в корпусе установлен золотник, выполненный с щелевыми прорезями и днищем с отверстиями в его средней части, установленный в корпусе на резьбе с возможностью осевого перемещения, ротор с крыльчаткой и отверстиями в днище установлен на подшипнике в осевом канале золотника, щелевые прорези которого выполнены ниже места установки ротора, для подачи жидкости в скважину, минуя золотник, и выше расположения ротора, с возможностью подачи жидкости в золотник на крыльчатку ротора после его осевого перемещения, при этом осевой канал золотника перекрыт крышкой со штоком, имеющим возможность его ввода в осевой канал ротора, а ход золотника в корпусе ограничен снизу переходником.

При исследовании технических решений, отобранных по патентной и научно-технической литературе, нами не обнаружено устройств, в которых можно отключать вибратор путем исключения подачи рабочей жидкости на крыльчатку ротора в осевом канале золотника, с переключением подачи потока рабочей жидкости на ротор и генерацией волнового процесса при выходе тампонажного раствора в затрубное пространство скважины.

Регулирование частоты гидроимпульсных колебаний без изменения расхода тампонажного раствора, подаваемого внутрь устройства, осуществляется путем изменения сечения осевого канала ротора в месте расположения крыльчатки за счет ввода штока, что неизвестно по доступным источникам научно-технической информации.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно устройство для цементирования скважин (см. пат. РФ №2127355, М. кл. 6 Е 21 В 33/14, опубликованное 10.03.99 г., Бюл. №7). Устройство выполнено в системе ротор-статор, лопасти которых имеют окна, асимметрично расположенные друг относительно друга, гидродинамический излучатель, установленный между стоп-кольцом и башмаком, а в обсадной колонне над излучателем выполнено отверстия для направления потока гидроимпульсов в затрубное пространство.

Известно, что импульсы давления передаются с устья по всему гидравлическому каналу (трубное и затрубное пространства), и нет необходимости в установке гидродинамических вибраторов на забое скважины (см. Кен Ньюман, Андрю Войтанович, Брайн Гахен. Пульсация цементного раствора улучшает процесс цементирования газовой скважины / Нефтегазовые технологии, 2002, №4 - С.50-55). Известно, что для создания максимального эффекта частота вибрационных колебаний варьируется в диапазоне 20-150 Гц (см. пат. РФ №1523653 по кл. Е 21 В 33/14, опубликованное 23.11.89 г., Бюл. №43).

Нами не обнаружено устройств, в которых возможно регулирование частоты гидроимпульсных колебаний без изменения расхода жидкости, подаваемой насосными агрегатами, т.е. с сохранением заданного режима цементирования.

Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними.

Изобретение явным образом не следует из известного уровня техники, т.е. оно соответствует критерию изобретательский уровень.

Конструкция устройства поясняется следующими чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция устройства в разрезе, в положении, когда генерация импульсов не происходит.

На фиг.2 - конструкция устройства в положении деталей, когда поток тампонажного раствора направлен на вибрационный механизм и производится генерация импульсов заданной частоты.

На фиг.3 - взаимное расположение деталей устройства при изменении сечения проходного канала ротора и частоты гидродинамических импульсов.

Устройство для создания гидроимпульсных колебаний в потоке прокачиваемого тампонажного раствора состоит из корпуса 1 с подводящим патрубком 2, внутри которого с возможностью осевого перемещения установлен золотник 3 с щелевыми прорезями 4 и 5, образующий кольцевые каналы 6 и 7 со стенкой корпуса 1.

В осевом канале золотника 3 на подшипниках 8 установлен ротор 9 с крыльчаткой 10, в днище которого выполнен ряд отверстий 11. Нижняя часть золотника 3 с днищем 12, в котором выполнены отверстия 13, образуют статор вибрационного механизма.

На торце золотника 3 устанавливается крышка 14, через которую посредством резьбового соединения пропускается шток 15, герметизированный уплотнителями 16.

Нижняя часть корпуса 1 снабжена переходником 17, в осевой канал которого входит нижняя часть золотника 3 устройства.

Элементы устройства герметизируются при помощи уплотнителей 18.

Устройство работает следующим образом.

Переходником 17 устройство подсоединяется к запорной арматуре скважины. К подводящему патрубку 2 подсоединяется манифольд, связанный с насосными агрегатами.

В исходном положении (фиг.1), в момент начала ведения технологического процесса цементирования скважины до выхода тампонажного раствора в затрубное пространство, когда генерации импульсов не требуется, продавочная жидкость поступает в кольцевой канал 7 между стенкой корпуса 1 и наружной поверхностью золотника 3, далее через щелевые прорези 5 золотника 3 и каналу переходника 17 подается в скважину, минуя подачу внутрь золотника 3 на ротор 9 с крыльчаткой 10, что исключает возникновение гидродинамических импульсов в потоке прокачиваемой продавочной жидкости.

Для наложения на поток гидравлических импульсов осуществляют вращение золотника 3 и его осевое перемещение в осевом канале корпуса 1, в результате чего перекрываются щелевые прорези 5 и поток продавочной жидкости начинает поступать через кольцевой канал 6 и щелевые прорези 4 внутрь золотника 3 (фиг.2). Нагнетаемая жидкость воздействует на крыльчатку 10, в результате чего ротор 9 начинает вращаться. При вращении происходит перекрытие отверстий 13 золотника 3 телом днища 12 ротора 9 с возбуждением гидравлического импульса в потоке жидкости, проходящей через вибрационный механизм. Частота генерируемых импульсов определяется расходом и реологическими параметрами прокачиваемой жидкости. В процессе цементирования при изменении расхода прокачиваемой жидкости возникает необходимость регулирования частоты возбуждаемых гидравлических импульсов. Это достигается путем вращения штока 15 устройства и ввода его в осевой канал ротора 9 (фиг.3), в результате чего изменяется сечение гидравлического канала внутри ротора 9 и соответственно изменяется - увеличивается скорость продавочной жидкости, подаваемой на крыльчатку 10. Таким образом, уменьшая или увеличивая сечение гидравлического канала внутри ротора 9 вращением штока 15, производят изменение частоты генерируемых гидроимпульсных колебаний за счет изменения скорости потока и соответственно частоты вращения ротора 9.

Устьевой механический вибратор, содержащий корпус с подводящим и отводящим каналами, ротор с крыльчаткой, опирающийся на подшипник, отличающийся тем, что в корпусе установлен золотник, выполненный с щелевыми прорезями и днищем с отверстиями в его средней части, установленный в корпусе на резьбе с возможностью осевого перемещения, ротор с крыльчаткой и отверстиями в днище установлен на подшипнике в осевом канале золотника, щелевые прорези которого выполнены ниже места установки ротора, для подачи жидкости в скважину, минуя золотник, и выше расположения ротора, с возможностью подачи жидкости в золотник на крыльчатку ротора после его осевого перемещения, при этом осевой канал золотника перекрыт крышкой со штоком, имеющим возможность его ввода в осевой канал ротора, а ход золотника в корпусе ограничен снизу переходником.