Центратор пружинный

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности, а более конкретно, к оборудованию, предназначенному для концентричного размещения обсадных колонн в нефтяных и газовых скважинах.
Уровень техники
В процессе строительства скважин систематически возникают осложнения при спуске колонны, связанные с неустойчивостью горных пород, склонных к обрушению и приводящих к сужению ствола скважины, что в дальнейшем сказывается в обеспечении центрирования обсадной колонны или хвостовика и приводит к увеличению времени строительства скважин, затрат как при спуске колонны, так и при цементировании скважины.
Центраторы обсадных колонн предназначены для центрирования обсадных колонн при спуске и цементировании их в скважине в условиях эксплуатации. Применение центраторов позволяет получить равномерный зазор между обсадной трубой и стенками скважины, исключая контакт между ними, тем самым обеспечивая улучшенную изоляцию цементным раствором без разрыва, что существенно продлевает срок службы труб за счет уменьшения скорости коррозии.
Известны центраторы пружинные типа ПЦ, которые состоят из стопорных колец с фиксирующими винтами и самого центратора или цельного центратора, где на кольцевой части размещены фиксирующие винты. Сам центратор представляет собой цельную конструкцию, выполненную из листовой или трубной заготовки, по окружности симметрично расположены рессоры выпуклой формы с пружинящими свойствами. Оси выпуклостей находятся посередине центратора в одной плоскости.
В частности, подобный центратор представлен в патентном уровне техники (RU 91737 U1, 27.02.2010). Известный центратор включает два крепежных элемента и соединенные с ними пружинные планки, причем крепежные элементы представляют собой цельнокроеные обечайки, концы которых соединены сварным швом, при этом нижняя имеет резьбовые отверстия с установленными в них фиксирующими винтами, выполненными с наружной и внутренней фасками, образующими острую кромку.
К недостаткам указанных выше решений можно отнести то, что при их применении не обеспечивается достаточно качественное центрирование при прохождении в затрудненных условиях скважин, где имеются сужения и размытые участки. Также имеет место возрастание силы трения между обсадными трубами на затрудненных участках, что приводит к увеличению пускового и рабочего усилия.
Отмеченные недостатки уровня техники могут быть преодолены в известном решении по патенту RU 200072 U1, 05.10.2020, которое может быть принято в качестве наиболее близкого аналога предлагаемой полезной модели. Известный центратор включает верхнее и нижнее цилиндрические кольца, соединенные между собой выступающими наружу округлыми пружинными ребрами, размещенными равномерно по окружности, и у которых выступающие вершины соседних округлых пружинных ребер смещены друг относительно друга.
Применение центратора указанной конструкции позволяет получить равномерный зазор между обсадной колонной и стенками скважины, что исключает возможность контакта между ними. В процессе работы, ребра центратора, обладающие высоким модулем упругости, вступают в работу попеременно, что снижает и перераспределяет экстремальные нагрузки на тело центратора, а спуск колонны осуществляется плавно и без рывков.
К недостаткам наиболее близкого аналога можно отнести низкую  ненадежность фиксации с применением болтов на тонкостенном ограничительном кольце и влияние имеющейся формы поперечного сечения рессоры на увеличение площади трения рессоры, также отсутствие заходных фасок на торцевых поверхностях кольцевых участков, что при эксплуатации сказывается на значении силы трения, вызывающей увеличение усилия проталкивания (пускового усилия) центратора и усложняет в целом прохождение центратора через затрудненные участки скважины, при этом не гарантируется обеспечение достаточного усилия центрирования.
Предлагаемая полезная модель направлена на преодоление отмеченных недостатков уровня техники и позволяет обеспечить достижение технического результата, заключающегося в снижении усилия проталкивания центратора при сохранении достаточного усилия центрирования.
Раскрытие полезной модели
Для достижения указанного выше технического результата предлагается центратор пружинный, содержащий верхнее и нижнее цилиндрические кольца, соединенные между собой выступающими наружу стальными (округлыми) пружинными ребрами, размещенными равномерно по окружности, причем выступающие вершины соседних пружинных ребер смещены друг относительно друга, отличающийся тем, что прямой участок каждого пружинного ребра составляет 0,3-0,5 от округленного (выступающего) участка, каждое пружинное ребро в поперечном сечении имеет радиус, равный его ширине, а на внешних торцевых поверхностях цилиндрических колец выполнены заходные фаски под углом 30°–45°относительно продольной оси.
Далее в описании представлены более подробные сведения в отношении технической сущности предложенной полезной модели.
Осуществление полезной модели
Для более полного понимания сущности полезной модели в описании сделаны отсылки на поясняющие чертежи, согласно которым представлены:
Фиг. 1 – вид центратора, установленного на обсадной колонне.
Фиг. 2 – сечение центратора (прототип).
Фиг. 3 – сечение центратора по полезной модели.
На фиг. 1 под соответствующими позициями обозначены:
(1) – центратор; (2) – пружинные ребра центратора (далее для краткости - рессоры); (3) –ограничительные цанговые кольца; (4) – верхние и нижние концевые участки центратора (цилиндрические кольца);  (5) – цанга; (6) – кольцо (цанговое); (7) – внутренний конус кольца (цангового).
На фиг. 2 представлено сопоставление радиуса закругленного участка рессор R с диаметральным значением центратора по рессорам D (R=0.5D).
На фиг. 3 представлено сопоставление радиуса закругленного участка рессор R с диаметральным значением центратора по рессорам D. Как видно, радиус R выполнен равным или менее ширины рессоры.
Работа предложенного центратора со смещенными рессорами заключается следующим образом.
Перед спуском обсадной колонны центратор устанавливают на осадные трубы с требуемым интервалом в соответствии с проектом скважины, для чего сначала устанавливают нижнее ограничительное цанговое кольцо, посредством приложения осевой силы к кольцу до получения фиксации на трубе, затем надевается сам центратор и на определенном расстоянии от центратора устанавливается верхнее ограничительное цанговое кольцо аналогично нижнему.
При работе центратор за счет упругих свойств рессоры (достаточного усилия центрирования) позволяет получить равномерный зазор между колонной и стенками скважины, что при цементировании позволяет получить равномерный цементный камень.
При спуске колонны попеременно смещенные округленные участки рессоры перераспределяют действующие на центратор нагрузки и позволяют пройти через затрудненные участки без приложения дополнительных усилий проталкивания с обеспечением плавного спуска и с обеспечением максимальной степени центрирования.
Выполнение рессор с уменьшенным радиусом в сечении, как показано на фиг. 3, позволяет снизить площадь трения центратора по сравнению с прототипом, что обеспечит снижение усилия проталкивания центратора. Однако при этом может быть снижено усилие центрирования и, соответственно, степень центрирования обсадной колонны в скважине. Поэтому, для сохранения необходимого усилия центрирования, в предложенном решении одновременно требуется обеспечить более прочное фиксирование центратора. Данная цель достигается путем выполнения на внешних торцевых поверхностях цилиндрических колец центратора заходных фасок под углом 30°-45°относительно продольной оси.
Как показано на фиг. 1, верхние и нижние ограничительные кольца (3) имеют цанговые зажимы, которые состоят из цанги (5) и кольца (6), на которых имеются термоупрочненные насечки для обеспечения надежной фиксации за счет преобразования осевого усилия в усилие зажима с увеличением значения за счет тангенса угла внутреннего конуса кольца. На кольцах 3 выполнены ответные фаски, обеспечивающие взаимодействие с торцевыми участками колец центратора, что обеспечивает более надежное фиксирование центратора.
В результате серии натурных испытаний были определены оптимальные параметры центратора, которые обеспечивают снижение усилия его проталкивания при сохранении необходимого усилия центрирования. Было установлено, что при уменьшении радиуса сечения рессор до значения их ширины, выполнении прямого участка рессоры (фиг. 1, “l”) в диапазоне 0,3-0,5 от округленного участка (фиг. 1, “L”) и выполнении на внешних торцевых поверхностях цилиндрических колец центратора заходных фасок под углом 30°-45°относительно продольной оси обеспечивается снижение усилия проталкивания центратора при сохранении достаточного усилия центрирования.  Следовательно, включенные в формулу существенные признаки позволяют обеспечить достижение технического результата лишь при всей своей совокупности. Иными словами, полезная модель позволяет обеспечить повышенное качество центрирования и, соответственно, качественное цементирование обсадных колонн при снижении трудоемкости работ.
3
В дополнительных вариантах осуществления, развивающих полезную модель с точки зрения упругости и прочности, предложено при изготовлении центратора применять доэвтектоидную сталь, подверженную эвтектоидному превращению на структуру зернистого перлита до линии PSK (линия эвтектоидного превращения) диаграммы Fe-FeC. Также в дополнительном варианте рессоры центратора в продольном направлении подвергнуты лазерному термоупрочнению.
Вследствие указанных усовершенствований после проталкивания через сужение скважин центратор расширяется до своего номинального внешнего диаметра, что обеспечивает качество центрирования, поскольку высокое восстанавливающее усилие позволяет нивелировать осевые и радиальные нагрузки.