МОБИЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ И ГАЗОВЫХ СКВАЖИН, УКРЫТИЕ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ И СИСТЕМА ОБОГРЕВА ТРЕХПЛУНЖЕРНЫХ НАСОСОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области нефтегазодобычи, а конкретно к технологическому оборудованию, предназначенному для цементирования нефтяных и газовых скважин.
Известна машина для цементирования скважин CPT-Y4 Haliburton, состоящая из размещенных на одной мобильной базе комплекса оборудования, включая насосный блок, содержащий две силовые установки, соединенные с двумя трехплунжерными насосами, продольно установленными на раме, мерный бак, емкость для смешивания тампонажных растворов, оборудованную смесителем, водоподающий и рециркуляционный центробежные насосы, обвязанные системой трубопроводов и систему управления и сбора информации (Руководство для пользователя «Комплекс для цементирования CPT-Y4», фирма Haliburton, 1966 г.)
Габариты упомянутой машины по ширине (2,78 м) и высоте (4,1 м) превышают предельно-допустимые размеры соответственно (2,55 м и 4 м), установленные техническим регламентом о безопасности колесных транспортных средств, утвержденным Постановлением Правительства РФ от 10.09.09 г. №270
Известна передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин (патент RU №2362674, МПК Е28С 5/00, Е21В 33/13). Установка состоит из размещенных на раме автомобильного шасси блоков, соединенных системой трубопроводов. Насосный блок содержит две дизельные силовые установки, соединенные карданными валами с двумя трехплунжерными насосами, размещенными на раме поперек автомобильного шасси, мерный бак, выполненный с двумя отсеками, размещенный над карданными валами и оборудованный водоподающими линиями, блок приготовления тампонажных растворов, состоящий из смесительной емкости со смесителем и осреднительной емкости, оборудованной перемешивателем. Смесительная емкость с осреднительной емкостью выполнена в одном корпусе, разделенном перегородкой, которая со стороны донной части емкостей оборудована затвором. Смесительная емкость в донной части связана с патрубком рециркуляции, который через рециркуляционный насос связан с узлом рециркуляции в смесителе, а осреднительная емкость в донной части выполнена с патрубком отвода готового цементного раствора. Емкости размещены в задней части рамы над водоподающим и рециркуляционным насосами и запитываются от гидросистемы установки. Блок управления включает площадку оператора, оборудованную системой контроля и управления, и размещен над трехплунжерными насосами.
Недостатками данной передвижной установки являются:
- при работе трехплунжерных насосов, размещенных в поперечном расположении, возникает поперечная раскачка шасси автомобиля, восприятию, которой конструкция шасси автомобиля не адаптирована, что приводит к преждевременному выходу шасси из строя;
- повышенная сложность трансмиссии соединения силовых блоков с трехплунжерными насосами, обусловленная поперечным расположением насосов (первый насос перекрывает доступ ко второму) и удалением силовых блоков от насосов (между ними расположены мерные баки);
- при наличие одного рециркуляционного и одного водоподающего насоса снижается оперативность и надежность работы установки, а в случае отказа рециркуляционного насоса - установка теряет работоспособность. Одним из основных требований, предъявляемых к оборудованию для цементажа скважин, является надежность и безотказность в работе.
Известно тентовое укрытие, входящее в состав мобильной установки УНБС2-600×70 (000 «Стромнефтемаш», Журнал «Бурение и Нефть 2010 г. - 11/15).
Укрытие состоит из неподвижной и подвижной части каркаса и общего тента обеих частей каркаса. Укрытие оснащено гидроприводом (четыре гидроцилиндра), для складывания тента в походное состояние.
Поскольку тентовое укрытие является складным, в холодное время года в складках образуется лед и при переводе его из транспортного положения в рабочее возможен разрыв тентового укрытия. В виду отсутствия дверей у тентового укрытия затруднен проход на площадку оператора. Применение четырех гидроцилиндров усложняет схему гидросистемы, а также требует синхронного управления гидроцилиндрами при переводе тента из транспортного положения в рабочее. Кроме того, тент выполнен светонепроницаемым, поэтому площадка оператора требует круглосуточного освещения.
Известна мобильная установка УНБС2-600×70, в которой использован автономный подогрев гидроблоков насосов высокого давления в холодное время года (000 «Стромнефтемаш», Журнал «Бурение и Нефть 2010 г. - 11/15).
Система автономного подогрева гидроблоков состоит из выхлопной системы дизеля (ДВС), системы подводящих трубопроводов и задвижек.
Недостатками данной системы автономного подогрева гидроблоков насоса являются используемые выхлопные газы, которые имеют высокую температуру до 300°С градусов. Это приводит к разрушению резиновых уплотнений на впускном и на нагнетательном манифольдах. Поэтому установка в случае разрушения резиновых уплотнений требует серьезного ремонта. Кроме того, гидроблок покрывается копотью от выхлопных газов, что является понижающим фактором обслуживания и снижается культура обслуживания установки.
Технической задачей полезной модели является создание мобильной установки с продольным расположением трехплунжерых насосов, габаритные размеры которой соответствуют техническому регламенту о безопасности колесных транспортных средств, утвержденному Постановлением Правительства от 10 сентября 2009 г. №720. Кроме того, заявляемая полезная модель направлена на повышение надежности и производительности работы установки, качества приготовления тампонажных растворов, повышение скорости затворения раствора в скважину, создание комфортных условий для работы операторов и повышение удобства обслуживания мобильной установки.
Для решения поставленной задачи в мобильной установке для цементирования нефтяных и газовых скважин, согласно полезной модели трехплунжерные насосы установлены вдоль рамы, ведущие валы насосов расположены параллельно продольной оси шасси, а корпуса ведущих валов закреплены на передних лобовых стенках насосов, на раме за кабиной автомобиля установлена раздаточная коробка, ведущий вал которой карданным валом соединен с коробкой отбора мощности двигателя шасси, а ведомые валы раздаточной коробки соединены с гидронасосами, донная часть осреднительной емкости снабжена вторым патрубком отвода готового цементного раствора, всасывающие трубопроводы центробежных (рециркуляционных) насосов соединены с отводами осреднительной емкости, а нагнетательные трубопроводы соединены с всасывающими трубопроводами трехплунжерных насосов и со смесительной головкой, кроме того, установка снабжена двумя центробежными (водоподающими) насосами, установленными под мерными баками и укрытием, состоящим из неподвижного каркаса и крыши. В перегородку мерных баков вварена сквозная труба, высота которой меньше высоты боковых стенок бака.
Площадка оператора с двух сторон соединена с рамой установки откидными лестницами, а подъемные лестницы, закрепленные на раме, являются продолжением откидных лестниц, кроме того, на раме в районе силовых агрегатов установлены откидные площадки с подъемными лестницами.
Привод поворота затвора бака для приготовления тампонажного раствора снабжен механизмом фиксации угла открытия, выполненного в виде изогнутого рычага, шарнирно соединенного с валом затвора и секторной гребенки неподвижно закрепленной на перегородке бака, профиль пазов гребенки соответствует профилю фиксатора, выполненного на изогнутом рычаге.
Техническая задача достигается также тем, что мобильная установка согласно полезной модели оснащена укрытием, состоящим из неподвижного каркаса и крыши, при этом крыша имеет возможность подъема и опускания, по меньшей мере, часть крыши, расположенная над силовыми установками, является неподвижной. Механизм подъема задней части крыши выполнен в виде двух шарнирных четырехзвенников, расположенных на боковых стенках крыши, ведущие и ведомые звенья механизма подъема крыши шарнирно закреплены на неподвижном каркасе, привод ведущих звеньев осуществляется от гидроцилиндров и имеет стабилизатор подъема, механизм подъема передней части крыши выполнен из двух одинаковых механизмов, установленных на неподвижном каркасе. Оба механизма состоят из тросов, один конец которого неподвижно закреплен в задней части крыши к верхней планке боковой стенки, а второй конец троса закреплен в передней части крыши к нижней планке боковой стенки, на неподвижных рамках с обеих сторон установлены по два направляющих ролика, которые огибаются тросами. Часть крыши, расположенная над площадкой оператора и мерными баками выполнена подъемной, На боковых стенках крыши выполнены форточки, а для входа на площадку оператора на неподвижном каркасе установлены двери.
Кроме того, техническая задача решается за счет использования системы обогрева трехплунжерных насосов высокого давления состоящая из двигателя внутреннего сгорания, системы подводящих трубопроводов и запорных элементов, в которой согласно полезной модели система обогрева выполнена в виде замкнутого контура с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости, включая в себя рубашку охлаждения двигателя внутреннего сгорания, электронасос, автономный подогреватель, рубашку обогрева приводной части, рубашку приемного коллектора, рубашку гидроблока трехплунжерных насосов и гидравлически соединенных между собой посредством подводящих трубопроводов для охлаждающей жидкости. Рубашка обогрева гидроблока выполнена в виде высверленных отверстий в теле гидроблока. Рубашка обогрева приемного коллектора выполнена в виде листового желоба, приваренного к приемному трубопроводу и образующего с наружной поверхностью приемного трубопровода герметичный трубопровод с входным и выходным штуцерами для охлаждающей жидкости. Рубашка обогрева приводной части насоса выполнена в виде герметично приваренного поддона под картер приводной части с входным и выходным штуцерами для охлаждающей жидкости.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Два центробежных насоса, установленные под смесительно - осреднительной емкостью выполняют функцию рециркуляции раствора и подачу его на вход трехплунжерных насосов. В результате чего центробежные (рециркуляционные) насосы образуют в паре с двумя трехплунжерными насосами два независимых насосных блока на одном шасси. А центробежные (водоподающие) насосы, расположенные под мерными баками являются дублирующими, что удваивает живучесть машины. Во время работы левого водоподающего насоса при подаче воды на смесительную головку, правый водоподающий (дублирующий) насос используется для набора воды в мерные баки. При отказе левого водоподающего (основного) насоса, правый водоподающий (дублирующий) используется для подачи воды на смесительную головку. Наличие рециркуляционной цепочки, состоящей из второго патрубка и второго рециркуляционного насоса, позволяет увеличить расход тампонажного раствора и повысить надежность работы установки.
Размещение вдоль рамы трехплунжерных насосов с ведущими валами, закрепленными на передних стенках насоса, позволяет сократить габаритный размер насоса по ширине и установить два насоса в пределах разрешенной ширины транспортного средства, значительно упростить и унифицировать трансмиссию и манифольд трехплунжерных насосов, а также обеспечить надежность, долговечность работы шасси автомобиля.
Раздаточная коробка, установленная на раме, обеспечивает монтаж большего количества гидронасосов и, следовательно, количество гидроприводных механизмов, которые расширяют функциональные возможности установки.
Конструктивные особенности рабочей площадки, т.е. шарнирное закрепление лестниц и площадок, позволяет переводить их из транспортного положения в рабочее, обеспечивая тем самым доступ, как с правой, так и с левой стороны установки. В связи, с чем отпадает необходимость обхода вокруг установки. А также обеспечивается удобный доступ к гидравлической и верхней части каждого из трехплунжерных насосов. Вследствие чего, сокращается время, необходимое для проведения ежесменного и планового обслуживания и ремонта гидроблоков насосов.
Крыша обеспечивает защиту от осадков и ветра и обеспечивает комфортные условия для работы операторов, а механизм подъема крыши при помощи гидравлического привода с использованием системы тросов и рычагов обеспечивает равномерный без перекосов подъем и опускание крыши при неравномерной нагрузке от скопившегося на ней снега. Конструкция механизма подъема крыши позволяет при небольшом ходе штока гидроцилиндра осуществить подъем крыши на величину более чем в четыре раза превышающую ход штока. Использование всего двух гидроцилиндров и механизмов обеспечивают безотказный подъем и опускание крыши.
Для предварительного прогрева трехплунжерных насосов при минусовой температуре задействованы предпусковые жидкостные подогреватели, при этом прогреваются гидроблок насоса, приемный коллектор и картер приводной части насоса. Для обогрева трехплунжерных насосов используется тепло системы охлаждения двигателя.
На чертежах приведены общий вид, отдельные узлы установки, иллюстрирующие примеры возможности реализации предлагаемых решений.
На фиг.1 изображен вид сбоку на мобильную установку для цементирования нефтяных и газовых скважин.
На фиг.2 и 3 изображен вид сбоку и сверху трехплунжерного насоса, соответственно.
На фиг.4 и 5 даны условные изображения раздаточной коробки с гидронасосами, вид сбоку и спереди, соответственно.
На фиг.6 дано условное изображение укрытия установки, вид сбоку. На фиг.7 приведена кинематическая схема механизма подъема, и опускания подъемной части крыши укрытия.
На фиг.8 изображена труба слива мерных баков.
На фиг.9 и 10 приведена схема подогрева приемного трубопровода трехплунжерных насосов, вид спереди и вид сбоку, соответственно.
На фиг.11 и 12 приведено условное изображение механизма фиксации угла поворота заслонки в перегородке бака для приготовления цементного раствора, вид сбоку и вид сверху, соответственно.
На фиг.13 приведена схема манифольда установки.
На фиг.14 приведена схема предпускового подогрева трехплунжерных насосов.
На фиг.15 приведена схема подогрева во время работы трехплунжерных насосов.
Установка состоит из двух дизельных силовых агрегатов, расположенных на раме 1 автомобильного шасси за кабиной автомобиля. Силовые агрегаты состоят из дизельного двигателя 2 и автоматической коробки передач 3. Силовые агрегаты карданными валами (карданные валы не показаны) соединены с трехплунжерными насосами 4, расположенными параллельно продольной оси шасси, ведущий вал 5 трехплунжерных насосов 4 расположен на передней стенке приводной части насоса. На раме 1 за кабиной автомобиля установлена раздаточная коробка, которая соединена карданным валом с коробкой отбора мощности двигателя шасси (карданный вал и коробка отбора мощности двигателя шасси не показаны). Раздаточная коробка состоит из корпуса 6, в котором установлен ведущий вал 7 и три ведомых вала, которые соединены с гидронасосами 8, 9, 10.
3
3
Над карданными валами трехплунжерных насосов 4 установлен мерный бак 11 с общей перегородкой 12. Под мерным баком 11 слева и справа (по ходу автомобиля) размещены два центробежных водоподающих насоса 13 (второй не показан). За трехплунжерными насосами 4 расположен пульт управления 14 и площадка оператора 15. За площадкой оператора 15 установлен бак 16 приготовления тампонажного раствора. Бак 16 разделен перегородкой на две части. Правая часть бака объемом 1,4 м - смесительная емкость, левая часть объемом 2,6 м - осреднительная емкость. Над смесительной емкостью установлена смесительная головка 17 и плотномер (не показан).
Осреднительная емкость в донной части снабжена двумя патрубками отвода тампонажного раствора (патрубки не показаны) и центробежным водоподающим насосом 18. Центробежный водоподающий насос 18 установлен также под смесительной емкостью (не показан). Всасывающий трубопровод центробежного водоподающего насоса 18 соединен с одним из двух патрубков, другой центробежный водоподающий насос 18 соединен с другим патрубком. Нагнетательная линия левого центробежного рециркуляционного насоса 18 соединена с всасывающей линией левого трехплунжерного насоса 4 и с рециркуляционным трубопроводом 19 смесительной головки 17. Нагнетательная линия правого центробежного рециркуляционного насоса 18 соединена с всасывающей линией правого трехплунжерного насоса 4 и с рециркуляционным трубопроводом 19 линией смесительной головки 17.
Площадка оператора 15 с двух сторон соединена откидными лестницами 20 с рамой 1, а подъемные лестницы 21, шарнирно закрепленные на раме 1, являются продолжением откидных лестниц 20. Площадка оператора 15 и откидные лестницы 20 шарнирно закреплены на стенке бака 16. В районе расположения силовых агрегатов дополнительно установлены откидные площадки с подъемными лестницами 22.
На раме 1 установлено укрытие, состоящее, из неподвижного каркаса 23, жестко прикрепленного к раме 1 и прозрачной крыши 24 из поликарбоната. Крыша 24 состоит из трех частей - неподвижной 25 (жестко соединенной с основанием каркаса), поворотной части 26 и подъемной части 27. Поднятое положение подъемной части 27 крыши 24 изображено пунктирными линиями, сплошными линиями изображено положение крыши 24 в опущенном (транспортном) положении. На боковых стенках подъемной части 27 крыши установлены механизмы подъема крыши 24, которые состоят из двух частей, механизма подъема задней части и механизма подъема передней части крыши.
Механизм подъема задней части крыши выполнен в виде шарнирного четырехзвенника 28 и качающегося гидроцилиндра 29. Ведущее звено 30 механизма приварено к трубе 31, которая установлена с возможностью вращения в проушине неподвижной рамки 32 основания. Ведущее звено 30 на противоположной стенке крыши 24 также приварено к этой трубе. Такая связь ведущих звеньев обеспечивает синхронную работу этих механизмов, поэтому подъем и опускание крыши 24 происходит без перекосов в поперечном направлении. Ведущее звено механизма подъема задней части крыши 24 шарнирно связано через промежуточное звено 33 с верхней планкой боковой стенки 34 крыши.
Механизм подъема передней части крыши 24 состоит из троса 35, один конец которого приварен к верхней планке боковой стенки 34 в задней части крыши (точка «в»). Второй конец троса приварен в передней части боковой стенки 34 к нижней планке (точка «н»). На неподвижной рамке 32 основания каркаса установлены направляющие ролики 36, которые огибают трос 35.
Для прогрева масла к дну картера приводной части трехплунжерных насосов герметично приварен поддон 37 в зоне маслофильтра с входным и выходным штуцерами 38. Для прогрева гидроблока в нем просверлено сквозное отверстие, закрытое с двух сторон резьбовыми пробками 39 со штуцерами для присоединения трубопроводов с охлаждающей жидкостью.
3
Мерный бак 11 перегородкой 12 делится на два отсека. Объем каждого отсека равен Зм. В перегородку 12 ив дно мерного бака 11 вварена труба слива 40, высота которой меньше высоты боковых стенок бака 11. Установка такой трубы предотвратит перелив жидкости через боковые стенки бака при переполнении последнего.
К наружной поверхности трубы приемного коллектора41 трехплунжерного насоса 4 приварен герметично желоб 42 с приемным и отводящим штуцерами 43 для охлаждающей жидкости.
Механизм поворота затвора 44 в перегородке 45 бака 16 для приготовления тампонажного раствора состоит из вала 46, неподвижно соединенного с затвором. Вал 46 установлен в трубе 47, которая вварена в перегородку 43 бака 16. На верхнем конце вала 46 шарнирно установлен изогнутый рычаг 48 с фиксатором 49. Над перегородкой 45 бака установлена рамка 50, на которой неподвижно закреплена секторная гребенка 51 с пазами. Профиль пазов гребенки 51 соответствует профилю фиксатора 49.
Работа установки осуществляется следующим образом
Для приведения установки в рабочее состояние необходимо перевести крышу 24 из транспортного положения в рабочее. Под действием штока гидроцилиндра 29 ведущее звено 30 из исходного положения (изображенное сплошными линиями), поворачиваясь вокруг оси 01, занимает верхнее положение (изображенное пунктирными линиями). Размеры звеньев 31 и 33 выбраны так, что при полном ходе штока гидроцилиндра 29 центр шарнира 02 пересекает прямую, проходящую через центры шарниров 01 и 03. При выполнении этого условия самопроизвольное опускание участка крыши 27 не возможно даже при падении давления в гидроцилиндрах 29 и отсутствии фиксаторов верхнего положения участка крыши 27. Подъем участка крыши 27 возможен только при параллельном подъеме этого участка по всей длине. Это обеспечивается механизмом подъема передней части участка крыши 27.При подъеме задней части участка крыши 27 вместе с шарниром 03 перемещается вверх и точка «в», которая тросом 35 связана с точкой «н», расположенной на нижней планке боковой стенки. Насколько поднимется точка «в» настолько же поднимется точка «н».
Для опускания участка крыши 27 необходимо ведущее звено 30 повернуть в обратном направлении на столько, что бы центр шарнира 02 пересек прямую, проходящую через точки 01 и 03. Дальнейшее опускание крыши будет самопроизвольным под действием веса крыши. Приготовление тампонажного раствора.
Сухой цемент от внешнего источника подается в средний трубопровод смесительной головки 17. Вода из мерного бака 11 водоподающими центробежными насосами 13 подается в центральный трубопровод смесительной головки. Далее производится открытие затвора 44 поворотом вокруг горизонтальной оси рычага 48, фиксатор 49 выводится из первой впадины секторной гребенки 51 и дальнейшими поворотами вокруг вертикальной и горизонтальной оси переводится и фиксируется во второй впадине.
Тампонажный раствор начинает из смесительной емкости перетекать в осреднительную емкость. При закрытых заслонках шиберных трехплунжерных насосов включается один из центробежных насосов 18 и тампонажный раствор по рециркуляционному трубопроводу поступает в смесительную головку 17 и плотномер (плотномер не показан). Наличие механизма поворота затвора 44 на небольшой угол и фиксации угла поворота позволяет на малых объемах цементного раствора начинать корректировку плотности, ускоряет получение цементного раствора требуемой плотности. Корректировка плотности производится изменением объемов подачи воды и цемента (механизмы регулировки подачи не показаны). Гидроприводные перемешиватели - один в смесительной и два в осреднительной емкостях, перемешивают раствор (перемешиватели не показаны). Достигнув требуемого значения плотности, затвор 44 открывается полностью. Заполнив смесительную емкость, цементный раствор через отверстие в верхней части перегородки (отверстие не показано) бака 16 начинает перетекать в осреднительную емкость. Раствор меньшей плотности попадает в осреднительную емкость через отверстие в перегородке бака, а более тяжелый раствор попадает в осреднительную емкость через донный затвор 44. Создав буферный объем тампонажного раствора в осреднительной емкости, заканчивается подготовительный этап (разгон) и начинается основной этап - цементаж скважины. Открываются заслонки всасывающих линий трехплунжерных насосов, включаются предварительно прогретые силовые агрегаты и трехплунжерные насосы.
Затем начинается закачка тампонажного раствора в скважину, после закачки требуемого объема тампонажного раствора, отключается подача воды и цемента, закачиваются остатки тампонажного раствора в скважину, на этом цементаж скважины прекращается.
Если цементаж скважины производится при отрицательной температуре, то осуществляется предпусковой подогрев насосов, для этого перед запуском трехплунжерных насосов производится прогрев масла в приводной части насоса и гидроблоке подачей охлаждающей жидкости в поддон 37 через штуцера 38 и в гидроблок через штуцера 39 фиг.(14).
Если во время цементажа скважины в холодное время была произведена аварийная или технологическая остановка трехплунжерного насоса, то необходимо прогревать приемный коллектор 41, чтобы не замерз тампонажный раствор. Прогрев приемного коллектора 41 производится пропусканием охлаждающей жидкости двигателя по трубопроводу через штуцера 43, температурой не более 90°С, которая контролируется термостатом, установленным на силовой установке (фиг.15).
Таким образом, разработанная установка имеет повышенную производительность, надежность за счет полного дублирования насосных блоков. Фактически на одном шасси установлены два самостоятельных насосных блока. Ни один элемент не используется в обоих насосных блоках. Для этой же цели служит продольная симметричная установка трехплунжерных насосов, практически все элементы трансмиссии и манифольда трехплунжерных насосов являются взаимозаменяемые. В результате чего расширяются эксплуатационные возможности установки и повышается удобство ее эксплуатации.