СКВАЖИННЫЙ ВИБРАТОР ДЛЯ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ

Предложение относится к строительству скважин, а именно к устройствам для цементирования обсадных колонн.
Известен вибробашмак цементируемой колонны (патент RU №2061841 МПК 7 Е 21 В 33/16, опубл. от 10.06.1996 г.), включающий полый корпус с боковыми отверстиями, присоединительной резьбой и предохранительным клапаном, цилиндр из легкоразбуриваемого материала с полостью, входным каналом, сообщающим полость корпуса с полостью цилиндра и выходным осевым каналом, сообщающим полость цилиндра с внешним пространством, зубчатое колесо из легкоразбуриваемого материала на легкоразбуриваемом валу, размещенное в полости, сопло из легкоразбуриваемого материала, помещенное во входном канале и ориентированное в область делительного диаметра зубчатого колеса, и направляющую пробку, при этом цилиндр выполнен с карманом и полостью в виде цилиндрической полости, которая перекрыта диском, имеющим карман и эксцентричное отверстие, а вал зубчатого колеса выполнен с дебалансом в виде втулки с эксцентричным пластинчатым кругом и установлен по оси цилиндрической полости в карманах цилиндра и диска с возможностью открытия-закрытия пластинчатым кругом эксцентричного отверстия, при этом входной канал выполнен тангенциальным по отношению к цилиндрической полости, а боковое отверстие корпуса выполнено со стороны диска по оси цилиндрической полости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является башмак обсадной колонны (авторское свидетельство SU №1661372 МПК 7 Е 21 В 33/14, опубл. в бюл. №25 от 07.07.1991 г.), включающий полый корпус с проходным верхним и нижним переводниками и расположенный внутри корпуса поршень-клапан с выступами на наружной поверхности в верхней части, подпружиненный относительно верхнего переводника, и шток, проходящий внутри поршня-клапана и связанный нижним концом с нижним переводником, при этом поршень-клапан выполнен с двумя внутренними полостями, разделенными кольцевым выступом, образующим осевой канал, и имеет элемент для перекрытия этого канала, причем этот элемент перекрывает осевой канал в верхнем положении поршень-клапана и открывает в нижнем положении последнего.
Как аналогу, так и прототипу присущи общие недостатки:
во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей;
во-вторых, сложность изготовления и сборки, обусловленная большим количеством технологически сложных деталей, а также невыполнение жестких требований при изготовлении и сборке может привести к неполному перекрытию элементом осевого канала в верхнем положении поршень-клапана, что снижает вибрирующее воздействие устройства в целом;
в-третьих, во внутренних полостях вибробашмака по окончанию прокачки остается цементный раствор, который застывая забивает осевые каналы, что перед повторным использованием требует разборки, очистки и сборки устройства.
Технической задачей полезной модели является упрощение конструкции устройства и повышение вибрирующего воздействия за счет полного перекрытия канала, особенно на обратном ходе поршень клапана, а также возможность промывки внутренней полости устройства от остатков цементного раствора по окончанию его закачки.
Поставленная техническая задача решается предлагаемым скважинным вибратором для обсадной колонны, включающим полый корпус с присоединительными резьбами, подпружиненный вверх поршень-клапан и перепускной канал.
1
2
1
2
Новым является то, что корпус соединен с колонной труб, спускаемых в обсадную колонну, и снабжен верхним, средним и нижним рядами радиальных отверстий, которые соединены снаружи перепускным каналом, в котором установлен поршень-клапан, выполненный кольцевым ступенчатым с наружным диаметром D и D, причем наружный диаметр D поршень-клапана снизу, больше его наружного диаметра D сверху, при этом полость корпуса между верхним и средним рядами радиальных отверстий снабжена клапаном, пропускающим снизу вверх, а средний ряд радиальных отверстий выполнен с возможностью перекрытия поршень-клапаном в начальном положении.
На фигуре изображено предлагаемое устройство перед цементированием обсадной колонны в продольном разрезе.
Скважинный вибратор для обсадной колонны включает полый корпус 1 с присоединительными резьбами 2 и 3, подпружиненный вверх посредством пружины 4 поршень-клапан 5, установленный внутри перепускного канала 6 корпуса 1.
Корпус 1 сверху соединен с колонной труб 7 (например, колонной насосно-компрессорных труб), спускаемых в обсадную колонну 8. Корпус 1 снабжен верхним 9, средним 10 и нижним 11 рядами радиальных отверстий, которые соединены снаружи перепускным каналом 6.
Внутренняя полость корпуса 1 между верхним 9 и средним 10 рядами радиальных отверстий снабжена клапаном 12, пропускающим снизу вверх. Перемещение клапана 12
вверх ограничивается сквозной перегородкой 13, жестко установленной внутри корпуса 1 под верхним рядом радиальных отверстий 9.
Средний ряд радиальных отверстий 10 выполнен с возможностью перекрытия поршень-клапаном 5 в начальном положении.
1
2
1
2
1
2
Поршень клапан выполнен кольцевым ступенчатым с наружным диаметром D и D, причем наружный диаметр D поршень-клапана 5 снизу, больше его наружного диаметра D сверху, а это означает, что площадь поперечного сечения поршень-клапана 5 по диаметру D больше, чем площадь поперечного сечения поршень-клапана 5 по диаметру D, что обеспечивает большее усилие на закрытие (перекрытие среднего ряда радиальных отверстий 10 при обратном ходе поршень-клапана 5) и повышает вибрирующее воздействия устройства в целом.
Компоновка нижней части обсадной колонны 8 и компоновка, присоединяемая к низу корпуса 1 скважинного вибратора для обсадной колонны может быть различной. В качестве примера рассмотрим один из вариантов компоновок, который представлен на фигуре.
На нижний конец корпуса 1 навернут патрубок 14, заглушенный снизу заглушкой 15. В патрубке 14 выше заглушки 15 выполнены радиальные отверстия 16, гидравлически сообщающие внутренние пространства колонны труб 7 и обсадной колонны 8.
Заглушка 15 посредством срезного элемента 17 соединена с обратным клапаном 18, выполненным в виде полого заглушенного снизу цилиндра, имеющего наружную цилиндрическую выборку 19, в которой размещено стопорное кольцо 20, имеющее возможность взаимодействия с цилиндрической выборкой 21 седла 22, которое герметично установлено в составе обсадной колонны 8.
Снизу на седло 22 навернута башмачная труба 23 со сквозными отверстиями 24, гидравлически соединяющими внутреннее пространство обсадной колонны 8 с ее наружным пространством. Поршневание поршень-клапана 5 в процессе работы исключается сквозным отверстием 25, выполненным в теле корпуса 1.
Устройство работает следующим образом.
В обсадную колонну 8, скомпонованную (см. фигуру) и спущенную в скважину, собирают и на конце колонны труб 7 спускают скважинный вибратор для обсадной колонны, при этом в присоединительную резьбу 3 вворачивают нижний конец колонны труб 7, а в присоединительную резьбу 2 корпуса 1 вворачивают патрубок 13 с обратным клапаном 18 на конце. Колонну труб 7 постепенно наращивают и устройство опускают в обсадную колонну 8 до тех пор, пока обратный клапан 18 не окажется на 5-10 метров выше седла 22. Производят цементирование обсадной колонны 8, при этом в колонну труб
1
2
7 с устья скважины закачивают цементный раствор, который достигнув скважинного вибратора для обсадной колонны через верхний ряд радиальных отверстии 9 поступает в перепускной канал 6, поскольку клапан 12, установленный внутри корпуса 1, закрыт. Попавший в перепускной канал 6 цементный раствор под действием давления закачки воздействует сверху на поршень-клапан 5. В результате поршень-клапан 5, сжимая пружину 4, опускается вниз до тех пор, пока не откроется средний ряд радиальных отверстий 10, который был перекрыт поршень-клапаном 5 в начальном положении. Закачку цементного раствора продолжают, в следствии чего последний по колонне труб 7, через открывшийся под действием давления закачки верхний ряд радиальных отверстий 9, по перепускному каналу 6 сквозь средний ряд радиальных отверстий 10 попадает внутрь корпуса 1 ниже клапана 12 и далее в патрубок 14, при этом давление над поршень клапаном 5 падает и последний за счет возвратной силы пружины 4 и действия давления жидкости на поршень-клапан 5 снизу, попавшей туда чрез нижний ряд радиальных отверстий 11, возвращается обратно, полностью перекрывая средний ряд радиальных отверстий 10, за счет того, что площадь поперечного сечения поршень-клапана 5 по диаметру D больше, чем площадь поперечного сечения поршень-клапана 5 по диаметру D. Закачку цементного раствора продолжают, при этом давление над поршень-клапаном 5 вновь возрастает и последний вновь опускается вниз, сжимая пружину 4 и открывая средний ряд радиальных отверстий 10, далее снова происходит поступление цементного раствора внутрь корпуса 1 ниже клапана 12 и далее в патрубок 14. В дальнейшем цикл повторяется, при этом происходит пульсирующая закачка цементного раствора через радиальные отверстия 16 патрубка 14, заглушенного снизу заглушкой 15, сквозь внутреннее пространство обсадной колонны 8 ниже седла 22 а также через сквозные отверстия 24 башмачной трубы 23 в наружное пространство обсадной колонны 8, цементируя последнюю.
По окончанию цементирования обсадной колонны 8 закачку цементного раствора в колонну труб 7 прекращают. Колонну труб 7 приподнимают вверх до тех пор, пока обратный клапан 18 герметично не вступит во взаимодействие с седлом 22. После этого к колонне труб 7 с устья скважины прикладывают дополнительную нагрузку, равную примерно 40-50 кН до разрушения срезных элементов 17. После разрушения срезных элементов 17 колонну труб 7 приподнимают еще на 2-3 метра, при этом обратный клапан 18 стопорным кольцом 20, расположенным в его наружной цилиндрической выборке 19, фиксируется в цилиндрической выборке 21 седла 22. Затем производят промывку устройства от остатков цементного раствора.
Для этого сначала прямой промывкой (подачей промывочной жидкости с устья скважины в колонну труб 7) удаляют излишки цементного раствора из колонны труб 7 и из перепускного канала 6 скважинного вибратора для обсадной колонны. Промывочная жидкость по колонне труб 7 через верхний ряд радиальных отверстии 9 поступает в перепускной канал 6, поскольку клапан 12, установленный внутри корпуса 1, закрыт. Попавшая в перепускной канал 6 промывочная жидкость под действием давления закачки воздействует сверху на поршень-клапан 5. В результате поршень-клапан 5, сжимая пружину 4, опускается вниз до тех пор, пока не откроется средний ряд радиальных отверстий 10, который был перекрыт поршень-клапаном 5 после прокачки цементного раствора. Промывочную жидкость продолжают нагнетать в колонну труб 7, в следствии чего промывочная жидкость через открывшийся под действием давления закачки верхний ряд радиальных отверстий 9 по перепускному каналу 6 сквозь средний ряд радиальных отверстий 10 попадает внутрь корпуса 1 ниже клапана 12 и далее в заглушенный снизу заглушкой 15 патрубок 14, откуда через радиальные отверстия 16 патрубка 14 промывочная жидкость, вымывая цементный раствор, поднимается по внутреннему пространству обсадной колонны 8 и выходит на устье скважины, откуда сливается в желобную емкость (на фиг. не показано), при этом давление над поршень-клапаном 5 падает и последний за счет возвратной силы пружины 4 и действия давления жидкости на поршень-клапан 5 снизу, попавшей туда чрез нижний ряд радиальных отверстий 11, возвращается обратно, перекрывая средний ряд радиальных отверстий 10.
Закачку промывочной жидкости продолжают, при этом давление над поршень-клапаном 5 вновь возрастает и последний вновь опускается вниз, сжимая пружину 4 и открывая средний ряд радиальных отверстий 10 далее снова происходит поступление промывочной жидкости внутрь корпуса 1 ниже клапана 12 и далее в патрубок 14. В дальнейшем цикл повторяется, при этом происходит пульсирующая промывка перепускного канала 6 и колонны труб 7 с патрубком 14.
Затем обратной промывкой (подачей промывочной жидкости в обсадную колонну 8) удаляют излишки цементного раствора из внутреннего пространства корпуса 1 выше клапана 12 скважинного вибратора для обсадной колонны.
Промывочная жидкость, закачиваемая в обсадную колонну 8, сквозь радиальные отверстия 16 поднимается вверх по заглушенному снизу посредством заглушки 15 патрубку 14 и далее, попав во внутреннее пространство корпуса 1, воздействует на клапан 12 снизу, поскольку средний ряд радиальных отверстий 10 корпуса 1 герметично перекрыт снаружи находящимся в перепускном канале 6 поршень-клапаном 5. Клапан 12, пропускающий снизу верх, поднимается до взаимодействия со сквозной перегородкой 13,
перепуская через себя промывочную жидкость. Промывочная жидкость, минуя клапан 12, вымывает остатки цементного раствора, находящегося над ним, и по колонне труб 7 поднимается на устье скважины, откуда направляется в желобную емкость.
Таким образом, в результате прямой и обратной промывок происходит полное удаление остатков цементного раствора из внутренних полостей скважинного вибратора для обсадной колонны.
Предлагаемый скважинный вибратор для обсадной колонны состоит из технологически простых деталей, что позволяет снизить материальные затраты на изготовление и сборку, при этом повышение вибрирующего воздействия при закачке цементного раствора достигается за счет полного перекрытия канала, особенно на обратном ходе поршень клапана. Кроме того устройство имеет возможность промывки внутренних полостей устройства от остатков цементного раствора по окончанию его закачки.