Центратор гидромеханический
Изобретение относится к области цементирования затрубного пространства обсадной колонны, а именно цементирования обсадной колонны в скважине. Обеспечивает повышение надежности работы центратора и упрощение его конструкции. Центратор включает связанный со стволом цилиндр, в полости которого установлены втулки и рабочий поршень, фиксируемый относительно цилиндра срезающимся штифтом, золотниковая втулка, центрирующие рычаги, нижними концами шарнирно связанные со стволом, замковые устройства. Втулки в количестве 3 штук выполнены в виде полувтулок, связанных между собой попарно шпонками. Замковые устройства выполнены в виде Т-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с Т-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами. Золотниковая втулка установлена в полости цилиндра выше полувтулок. Наружный диаметр втулки меньше внутреннего диаметра цилиндра. Наружная поверхность нижней части рабочего поршня выполнена в виде конуса для взаимодействия с конической поверхностью центрирующих рычагов, выполненной на их верхней части. Рабочий поршень выполнен в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой в конической части. В стволе выполнено радиальное отверстие с резьбой, соединяющее внутренние полости цилиндра и ствола, в которое ввинчена разрушаемая пробка. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к области цементирования затрубного пространства обсадной колонны, а именно цементирования обсадной колонны в скважине.
Известен центратор обсадной колонны, включающий ствол с навинченной на него муфтой, с которой жестко связан цилиндр, в полости которого установлены втулки с возможностью взаимодействия между собой клиновидными поверхностями, зафиксированные между собой штифтами, рабочий и замковый поршни, центрирующие рычаги и замковые устройства. Золотниковая втулка установлена в полости муфты для перекрытия канала, соединяющего полость цилиндра с внутренними полостями муфты и ствола. Рабочий и замковый поршни установлены с возможностью перемещения в одном направлении и зафиксированы относительно цилиндра срезающимся штифтом, причем рабочий поршень имеет с наружной стороны по образующей пазы, а замковый поршень, длина которого превышает длину рабочего, связан с центрирующими рычагами при помощи замковых устройств и имеет клиновидную поверхность для взаимодействия с одним из концов центрирующих рычагов, другие концы которых шарнирно связаны со стволом, замковые устройства выполнены в виде Т-образного паза в замковом поршне и штифтов, установленных для их фиксирования в рычагах, верхние концы которых упираются в торец рабочего поршня (Пат. РФ №2191881, кл. Е 21 В 17/10, опубл. в бюл. №30. - 27.10.2002).
Основными недостатками данного устройства являются сложность конструкции и ненадежность его работы.
Перед наращиванием обсадной трубы на обсадную колонну в процессе спуска последней в скважину ее сажают на клинья, что создает большое по величине ускорение, т.е. резко останавливается колонна. При этом появляется большая вероятность преждевременного открытия канала, связывающего полость цилиндра с внутренними полостями муфты и ствола.
В процессе промежуточной промывки скважины появляется вероятность срабатывания центратора обсадной колонны, что не даст возможность спуска обсадной колонны до заданной глубины.
Использование в полости цилиндра цельных втулок и цельных рабочей и замковой поршней появляется вероятность заклинивания их при срабатывании центратора обсадной колонны.
Прочность цилиндра по сравнению со стволом на избыточное давление при их даже одинаковой толщине стенок меньше, т.к. средний диаметр ствола меньше, чем средний диаметр цилиндра. Это связано с тем, что наружный диаметр центратора обсадной колонны ограничивается диаметром скважины, а внутренний диаметр ствола и муфты - внутренним диаметром обсадной колонны. Применение данного центратора в оснастке обсадной колонны не позволит проводить гидроразрывы продуктивных пластов скважины, т.к. при гидроразрывах величина избыточного давления на устье скважины достигает до 70 МПа.
Выполнение замкового устройства в виде Т-образного паза в замковом поршне и штифтов, установленных для их фиксирования в центрирующих рычагах, верхние концы которых упираются в торец рабочего поршня, ведет работу штифтов на срез. Так как допускаемое напряжение при сдвиге на много меньше допускаемого напряжения на растяжения ([τ]≈0,5[σ]) для пластического материала, то вероятность преждевременного срабатывания центратора при спуске обсадной колонны в скважину увеличивается.
Наличие в конструкции центратора обсадной колонны замкового поршня, имеющего в нижней части клиновидные поверхности для взаимодействия с одним из концов центрирующих рычагов и Т-образные пазы, втулок с возможностью взаимодействия между собой клиновидными поверхностями, зафиксированными между собой штифтами, и муфты с каналом, сложным по профилю, соединяющим полость цилиндра с внутренними полостями муфты и ствола, усложняют конструкцию центратора.
Предложен центратор гидромеханический, включающий связанный со стволом цилиндр, в полости которого установлены втулки и рабочий поршень, фиксируемый относительно цилиндра срезающимся штифтом, золотниковая втулка, центрирующие рычаги, нижними концами шарнирно связанные со стволом, замковые устройства. Втулки в количестве 3 штук выполнены в виде полувтулок, связанных между собой попарно шпонками. Замковые устройства выполнены в виде Т-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с Т-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами. Золотниковая втулка установлена в полости цилиндра выше полувтулок, причем наружный диаметр втулки меньше внутреннего диаметра цилиндра. Наружная поверхность нижней части рабочего поршня выполнена в виде конуса для взаимодействия с конической поверхностью центрирующих рычагов, выполненной на их верхней части, причем рабочий поршень выполнен в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой в конической части. В стволе выполнено радиальное отверстие с резьбой, соединяющее внутренние полости цилиндра и ствола, в которое ввинчена разрушаемая пробка. Верхняя часть внутренней полости цилиндра выполнена в виде конуса для взаимодействия с наружной конической поверхностью золотниковой втулки, причем последняя имеет радиальное отверстие, выполненное ниже конической поверхности. Наружный диаметр ствола в верхней части под золотниковой втулкой больше, чем наружный диаметр его нижней части, причем радиальное отверстие расположено с возможностью перекрытия ее золотниковой втулки после срабатывания центратора.
Предлагаемое изобретение решает следующие задачи.
Повышение надежности работы центратора гидромеханического за счет установки в конструкцию втулок в количестве 3 штук, выполненных в виде полувтулок, связанных между собой попарно шпонками, выполнения замкового устройства в виде Т-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с Т-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами, установления золотниковой втулки в полости цилиндра выше полувтулок, причем наружный диаметр втулки меньше внутреннего диаметра цилиндра, выполнения наружной поверхности нижней части рабочего поршня в виде конуса для взаимодействия с конической поверхностью центрирующих рычагов, выполненной на их верхней части, причем рабочий поршень выполнен в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой в конической части, выполнения радиального отверстия с резьбой в стволе, соединяющего внутренние полости цилиндра и ствола, в которое ввинчена разрушаемая пробка, выполнения верхней части внутренней полости цилиндра в виде конуса для взаимодействия с наружной конической поверхностью золотниковой втулки, причем последняя имеет радиальное отверстие, выполненное ниже конической поверхности, выполнения наружного диаметра ствола в верхней части под золотниковой втулкой больше, чем наружный диаметр его нижней части, причем радиальное отверстие расположено с возможностью перекрытия ее золотниковой втулкой после срабатывания центратора.
Установка в полости цилиндра полувтулок в количестве 3 штук, связанных между собой шпонками, и рабочего поршня, выполненного в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой в нижней конической части, исключает вероятность их заклинивания в процессе срабатывания центратора гидромеханического.
Выполнение замковых устройств в виде Т-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с Т-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами, создает усилия разрыва на Т-образные штифты при случаях зацепления центрирующих рычагов центратора гидромеханического за каверны в процессе спускоподъемных операций обсадной колонны в скважине, что уменьшает вероятность преждевременного срабатывания центратора в условиях скважины.
Установка золотниковой втулки с возможностью перекрытия радиального отверстия ствола, имеющей наружный диаметр меньше внутреннего диаметра цилиндра, коническую наружнюю поверхность в верхней части и радиальное отверстие, выполненное ниже конической поверхности, в полость цилиндра верхняя часть внутренней полости которого выполнена в виде конуса для взаимодействия с наружной конической поверхностью золотниковой втулки дает возможность увеличить прочность конструкции центратора гидромеханического на избыточное внутреннее давление после срабатывания центратора в условиях скважины.
Установка разрушаемой пробки в радиальное отверстие с резьбой, выполненное в стволе, исключает преждевременное срабатывание центратора гидромеханического при спуске обсадной колонны в скважину и промежуточных промывках ствола скважины.
Выполнение наружного диаметра ствола в верхней части под золотниковой втулкой больше, чем наружный диаметр его нижней части, и радиального отверстия с резьбой в стволе с возможностью перекрытия ее золотниковой втулкой после срабатывания центратора обеспечивает работоспособность центратора гидромеханического в условиях скважины.
Упрощения конструкции центратора гидромеханического за счет исключения из конструкции замкового поршня, имеющего в нижней части клиновидные поверхности для взаимодействия с одним из концов центрирующих рычагов и Т-образные пазы, муфты с каналом сложного профиля, соединяющего полость цилиндра с внутренними полостями муфты и ствола, замены в полости цилиндра втулок с возможностью взаимодействия между собой клиновидными поверхностями, зафиксированными между собой штифтами, на втулки в количестве 3 штук, выполненных в виде полувтулок и связанных между собой попарно шпонками, изменения конструкции замковых устройств, выполненных в виде Т-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с Т-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами и замены канала сложного профиля, соединяющего полость гидроцилиндра с внутренними полостями муфты и ствола, на радиальное отверстие с резьбой, выполненное в стволе и соединяющее внутренние полости цилиндра и ствола.
На фиг.1 показан центратор гидромеханический, осевой разрез; на фиг.2 показан разрез А-А, на фиг.3 - разрез Б-Б, на фиг.4 - разрез В-В, на фиг.5 - разрез Г-Г.
Центратор гидромеханический (фиг.1) состоит из ствола 1 с навинченным на него цилиндром 2. Внутри цилиндра 2 установлены золотниковая втулка 3, полувтулки 4, связанные между собой шпонками 5, защитные кольца 6, резиновые уплотнительные кольца 7 и рабочий поршень 8, выполненный в виде полупоршней, жестко соединенных между собой по конической поверхности. На нижней части рабочего поршня 8 выполнены Т-образные пазы 9, взаимодействующие с Т-образными штифтами 10. Штифты 10 жестко закреплены к верхним концам центрирующих рычагов 11. Нижние концы центрирующих рычагов 11 шарнирно установлены в фиксаторе-гайке 12. На стволе 1 имеется радиальное отверстие 13 с резьбой, в которое навинчена разрушаемая пробка 14. На золотниковой втулке 3 имеется радиальное отверстие 15, расположенное ниже конической поверхности. Рабочий поршень 8 фиксируется относительно цилиндра 2 срезающимся штифтом 16.
Центратор гидромеханический работает следующим образом.
После спуска обсадной колонны в скважину вместе с установленными на ней центраторами гидромеханическими под действием перепада давления продавочной жидкости сверху вниз движется цементировочная пробка, которая, проходя через центратор, разрушает разрушаемую пробку 14, навинченную в радиальное отверстие 13 с резьбой. После этого через радиальное отверстие 13 открывается доступ внутриколонной жидкости в полость цилиндра 2. Под действием перепада давления заколонной и внутриколонной жидкостей золотниковая втулка 3, полувтулки 4, соединенные между собой шпонками 5, защитные кольца 6, резиновые уплотнительные кольца 7 и рабочий поршень 8 двинутся вниз, срезая срезающийся штифт 16. Во время движения вниз рабочего поршня 8 происходит перемещение центрирующих рычагов 11 в радиальном направлении. При достижении центрирующих рычагов 11 стенок скважины обсадная колонна центрируется относительно скважины. В процессе снижения давления во внутренней полости обсадной колонны под действием перепада давления из-за разности плотностей внутриколонной и заколонной жидкостей последняя, попадая через каналы в рабочем поршне 8, выполненного в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой по конической поверхности, действует на торцы полувтулок 4, соединенных между собой шпонками 5. При этом полувтулки 4, предохранительные кольца 6, резиновые уплотнительные кольца 7 и золотниковая втулка 3 двигаются с большой скоростью наверх. В момент достижения утолщения ствола 1 полувтулками 4, последние, предохранительные кольца 6 и резиновые уплотнительные кольца 7 останавливаются, а золотниковая втулка 3 продолжает по инерции двигаться дальше до того момента, пока она не зафиксируется с конической поверхностью цилиндра 2. Радиальное отверстие 15, выполненное на золотниковой втулке 3, позволяет повысить фиксацию последней.
Предлагаемое техническое решение значительно повышает надежность работы центратора за счет установки золотниковой втулки в цилиндр, что позволяет увеличить прочность центратора при проведении гидроразрыва продуктивного пласта.
1. Центратор гидромеханический, включающий связанный со стволом цилиндр, в полости которого установлены втулки и рабочий поршень, фиксируемый относительно цилиндра срезающимся штифтом, золотниковая втулка, центрирующие рычаги, нижними концами шарнирно связанные со стволом, замковые устройства, отличающийся тем, чтовтулки в количестве 3 штук выполнены в виде полувтулок, связанных между собой попарно шпонками, замковые устройства выполнены в виде Т-образных пазов на нижней части рабочего поршня, взаимодействующих с Т-образными штифтами, жестко скрепленными с центрирующими рычагами, золотниковая втулка установлена в полости цилиндра выше полувтулок, причем наружный диаметр втулки меньше внутреннего диаметра цилиндра, наружная поверхность нижней части рабочего поршня выполнена в виде конуса для взаимодействия с конической поверхностью центрирующих рычагов, выполненной на их верхней части, причем рабочий поршень выполнен в виде полупоршней, жестко скрепленных между собой в конической части, в стволе выполнено радиальное отверстие с резьбой, соединяющее внутренние полости цилиндра и ствола, в которое ввинчена разрушаемая пробка.
2. Центратор гидромеханический по п.1, отличающийся тем, что верхняя часть внутренней полости цилиндра выполнена в виде конуса для взаимодействия с наружной конической поверхностью золотниковой втулки, причем последняя имеет радиальное отверстие, выполненное ниже конической поверхности.
3. Центратор гидромеханический по п.1, отличающийся тем, что наружный диаметр ствола в верхней части под золотниковой втулкой больше, чем наружный диаметр его нижней части, причем радиальное отверстие расположено с возможностью перекрытия золотниковой втулкой после срабатывания центратора.
