АГРЕГАТ НАСОСНЫЙ ЦЕМЕНТИРОВОЧНЫЙ
PUMPING CEMENTING UNIT

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, а конкретно: к технологическому оборудованию, предназначенному для цементирования нефтяных или газовых скважин.
3
3
Известна машина для цементирования CPT-Y4 фирмы Halliburton, состоящая из размещенных на одной мобильной базе блоков, включая насосный блок, содержащий две силовые установки, соединенные посредством трансмиссии с двумя трехплунжерными (триплексными) насосами, мерный бак объемом 3,2 м, коллекторы низкого и высокого давления, емкость для смешивания приготавливаемых растворов объемом 0,95 м, оборудованную смесителем, смешивающий (водоподающий) и циркуляционный (рециркуляционный) центробежные насосы, обвязанные системой трубопроводов, и систему управления и сбора информации (Руководство для пользователя «Комплекс для цементирования CPT-Y4», фирма Halliburton, рус., 1996).
Указанная машина для цементирования имеет габариты, превышающие нормы на габариты, установленные европейскими и российскими требованиями по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом. Кроме того, указанная машина для цементирования имеет небольшой объем емкостей для приготовления растворов, поскольку не предусматривается буферный объем приготовленного раствора, который позволил бы обеспечить процесс откачки готового раствора при возникновении вынужденных задержек в процессе приготовлении раствора.
Известен агрегат по цементированию скважин, который представляет собой совокупность блоков, размещенных на одной мобильной базе, включая насосный блок, содержащий две силовые установки, соединенные посредством трансмиссии с двумя трехплунжерными насосами, блок приема и распределения технологических жидкостей, содержащий мерные баки, центробежные насосы, систему трубопроводов и запорную арматуру, блок приготовления тампонажных растворов, содержащий затворяющий насос с приводом от силовой установки, блок осреднения с осреднительной емкостью, узел рециркуляции с рециркуляционным центробежным насосом, систему контроля и управления. При этом блок приготовления тампонажных растворов включает гидровакуумную воронку с узлом смешения, в котором предварительно смешиваются цемент и вода. Блок осреднения имеет осреднительную емкость большого объема, обеспечивающего буферный объем приготовленного раствора, которая разделена на две секции, причем в секции с большим объемом размещены два гидромеханических перемешивателя с лопастными насадками, расположенными на конце его рабочего вала, а секция меньшего объема предназначена для жидкости затворения. Размещение двух перемешивателей в одном объеме позволяет обеспечить приготовление раствора в емкости большого объема (патент RU №33972 на полезную модель, МПК Е21В 33/13).
Недостатком данного технического решения является то, что затворение цементных растворов выполняется насосом высокого давления через гидровакуумную воронку, которая не входит в комплект оборудования агрегата, то есть перед началом работы агрегата необходимо дополнительно осуществить монтажные работы по ее установке.
Известна передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин, состоящая из размещенных на одной мобильной базе блоков, включая насосный блок, содержащий силовые установки, соединенные с трехплунжерными насосами, блок приема и распределения технологических жидкостей, содержащий мерные баки, оборудованные водоподающими линиями, блок приготовления тампонажных растворов, содержащий водоподающий насос, соединенный также с водоподающими линиями мерных баков, блок осреднения, содержащий осреднительную емкость, оборудованную перемешивателем, узел рециркуляции, включающий рециркуляционный насос, а также блок управления, включающий площадку оператора, оборудованную системой контроля и управления, обвязанных трубопроводами, которые оборудованы запорной арматурой, при этом в качестве силовых установок использованы дизельные установки, которые с помощью размещенных на раме автомобильного шасси карданных валов связаны с размещенными на раме поперек трехплунжерными насосами, при этом на раме также размещены водоподающий и рециркуляционный насосы, имеющие гидроприводы, запитываемые от гидросистемы передвижной установки, и трубопроводы, а над узлами, размещенными на раме, установлены блок приема и распределения технологических жидкостей, блок управления, осреднительная емкость, оборудованная перемешивателем, и смесительная емкость, оборудованная расположенным в ее верхней части смесителем, включающим узел подачи сухого цемента, узел коллектора для регулируемой подачи жидкостей и узел рециркуляции, и перемешивателем, при этом смесительная емкость выполнена заодно с осреднительной емкостью за счет выполнения между ними общей стенки, которая со стороны донной части емкостей оборудована затвором и имеет высоту меньше высоты других стенок емкостей, смесительная емкость связана с патрубком рециркуляции, который через рециркуляционный насос связан с узлом рециркуляции в смесителе, а осреднительная емкость выполнена с патрубком отвода готового цементного раствора (Патент РФ №2362674, Заявка: 2008113025/03 от 07.04.2008, МПК:В28С 5/00, Е21В 33/13 - прототип).
Работа указанной передвижной установки осуществляется следующим образом. Для приготовления цементного раствора сухой цемент от линии пневмоподачи направляется по трубопроводу через затвор поворотный в смеситель, объем подачи регулируется либо вручную маховиком, либо автоматически с помощью поворотного гидродвигателя. Вода от водоподающего насоса поступает в патрубок смесителя. Для регулировки подачи воды служит диск клапанный. В коллекторе смесителя цемент с водой образуют водоцементную смесь, к которой дополнительно через патрубки по рециркуляционным линиям от рециркуляционного насоса подводится рециркуляционный раствор из смесительной емкости. Далее подготовленная смесь разбивается на рассекателе и поступает в смесительную емкость, где перемешивается гидромеханическим перемешивателем, на рабочем валу которого размещена лопастная насадка. Неоднородный более тяжелый раствор опускается в донную часть смесительной емкости, откуда через патрубок рециркуляции направляется по рециркуляционным линиям в коллектор смесителя, а однородный более легкий раствор переливается через общую стенку и наполняет осреднительную емкость, где продолжает перемешиваться перемешивателем по всей высоте осреднительной емкости за счет расположения лопастей в средней части рабочего вала.
Из осреднительной емкости однородный цементный раствор через патрубок отвода готового цементного раствора направляется в гидравлические части трехплунжерных насосов, которыми он закачивается в нефтяную или газовую скважину. Перед завершением процесса закачки нефтяной или газовой скважины выключается подача в смеситель сухого цемента и воды, при этом система рециркуляции продолжает работать. К моменту опорожнения осреднительной емкости открывается затвор в общей стенке и раствор из смесительной емкости стекает в осреднительную емкость, откуда закачивается в скважину на завершающем этапе цикла закачки цементного раствора в нефтяную или газовую скважину.
Недостатками данной передвижной установки является возможность появления кавитационных процессов в трубопроводах на определенных режимах работы трехплунжерного насоса, размещение оборудования на шасси автомобильного тягача, не соответствующее современным представлениям об эргономике, и вызывающее определенные трудности при его обслуживании.
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание передвижного агрегата насосного цементировочного (далее - агрегат), для цементирования нефтяных или газовых скважин, составные части которого базируются на одной мобильной базе - автомобильном шасси, причем его габаритные размеры не превышают габариты нормативных габаритов, установленных в «Инструкции по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом по дорогам РФ», при этом компоновка узлов агрегата должна обеспечивать удобство при их обслуживании и ремонте.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в предложенном агрегате насосном цементировочном для цементирования скважин, содержащем размещенные на одной мобильной базе, преимущественно, автомобильном шасси, блоки, включая насосный блок, содержащий блок отбора мощности, соединенный с трехплунжерным насосом с помощью размещенного на раме шасси карданного вала, при этом на раме также размещены водоподающий, рециркуляционный и подпорный насосы, имеющие гидроприводы и систему трубопроводов, причем над узлами, размещенными на раме, установлены блок приема и распределения технологических жидкостей, блок управления с площадкой оператора, оборудованной системой контроля и управления, обвязанных трубопроводами, оборудованными запорной арматурой, причем в задней части шасси размещены блок приготовления тампонажных растворов и блок осреднения, выполненный заодно со смесительной и осреднительной емкостями, имеющими общую стенку, причем со стороны донной части емкостей установлен затвор, при этом осреднительная емкость оборудована перемешивателем, а смесительная емкость оборудована расположенным в ее верхней части смесителем, включающим узел подачи сухого цемента, узел коллектора для регулируемой подачи жидкости, узел рециркуляции, причем смесительная емкость связана с патрубком рециркуляции, который через рециркуляционный насос связан с узлом рециркуляции в смесителе, а осреднительная емкость соединена с патрубком отвода готового цементного раствора, при этом в смесительной емкости установлен диффузор, к нижнему торцу которого прикреплено опорное кольцо, на котором расположены отклоняющие лопасти, выполненные в виде профилированных элементов, прикрепленных к внутренней поверхности опорного кольца, при этом в нижней части стенки диффузора по его диаметру размещены профилированные отверстия, торцы стенок которых опираются на внешний диаметр опорного кольца, при этом одна из боковых сторон каждой отклоняющей лопасти жестко соединена с боковой стороной стенки каждого профилированного отверстия, при этом на боковой стенке диффузора, выше уровня цементного раствора выполнено тангенциальное отверстие, в котором по касательной установлен подводящий патрубок в виде трубы переменного сечения, в которой размещен дроссельный узел с коллектором, выполненный в виде направляющего корпуса с наклонными пазами, соединенного с цементным затвором узла подачи сухого цемента, а к боковой стенке трубы большего диаметра присоединен узел подачи воды в коллектор, при этом сверху диффузор снабжен съемной крышкой с отверстием, в котором установлен отводящий патрубок с отводящим рукавом, а на раме под осреднительной емкостью установлен подпорный насос, соединенный напорной линией со всасывающим коллектором трехплунжерного насоса, согласно изобретению, привод насоса высокого давления осуществляется от двигателя автомобильного шасси через блок отбора мощности, установленный между коробкой передач и раздаточной коробкой, при этом привод гидравлики выполнен на основе дополнительного двигателя, расположенного за кабиной шасси поперек рамы шасси, причем редуктор, на котором установлены гидронасосы, прикреплен непосредственно к картеру маховика двигателя, при этом ведущий вал редуктора соединен с маховиком двигателя через муфту, а смесительно-осреднительная и мерная емкости расположены буквой Г.
В варианте исполнения, на дополнительных агрегатах установлена система связи, при помощи которой все параметры работы установки отражаются на мониторе в кабине оператора.
В варианте исполнения, шасси выполнено, по крайней мере, четырехосным.
Сущность изобретения иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан вид сбоку агрегата насосного цементировочного, на фиг. 2 показан вид сверху агрегата насосного цементировочного, на фиг. 3 показан привод трехплунжерного насоса, на фиг. 4 показан совмещенный блок приготовления тампонажных растворов, на фиг. 5 показаны линии рециркуляции, на фиг. 6 показано расположение подпорного насоса на раме автомобиля, в общей компоновке агрегат.
Агрегат насосный цементировочный состоит из размещенных на мобильной платформе блоков установки (далее - агрегат) для приготовления цементного раствора. Агрегат насосный цементировочный для цементирования нефтяных или газовых скважин монтируется на базе четырехосного шасси 1, имеющего промежуточную опору 2, размещенную в раме передней части автомобильного шасси между КПП и раздаточной коробкой, которая с помощью карданной передачи 3 связана с трехплунжерным насосом 4, установленными на раме 5. За кабиной, поперек рамы автомобильного шасси установлен палубный двигатель с редуктором 6 для привода гидрооборудования.
За палубным двигателем с редуктором 6 над карданной передачей размещен блок приема и распределения технологических жидкостей, который содержит мерный бак 7, состоящий из двух секций, оборудованных в донной части отверстиями для слива, которые в верхней части оборудованы двумя водоподающими линиями 8, соединенными с водоподающим насосом.
В правой части автомобильного шасси 1 за мерным баком 7 размещен совмещенный блок приготовления тампонажных растворов и осреднения, который включает выполненные заодно смесительную 9 и осреднительную 10 емкости большего размера, имеющую общую стенку 11, высота которой меньше высоты других стенок смесительной 9 и осреднительной 10 емкостей, а со стороны донной части емкостей оборудована затвором 12.
Смесительная емкость 9 оборудована в верхней части наклонно установленным смесителем 13 и перемешивателем 14 с рабочим валом 15, на котором размещена лопастная насадка 16. В донной части смесительная емкость 9 имеет отверстие, через которое она связана с патрубком рециркуляции 17, соединенным через рециркуляционный насос 18 с узлом рециркуляции смесителя 19.
Смеситель 13 включает расположенные последовательно по наклонной оси и соединенные в одно целое узел подачи сухого цемента, включающий затвор поворотный, маховик и поворотный гидродвигатель, регулируемую подачу воды в коллектор, включающий патрубок и диск клапанный, тягу и редуктор с маховиком, узел рециркуляции, включающий патрубки и рециркуляционные линии.
Смесительная емкость 9 содержит профилированный диффузор, закрепленный вертикально в отверстии, ее верхней торцевой крышки при помощи фланца. К нижнему торцу диффузора прикреплено опорное кольцо, на котором расположены отклоняющиеся лопасти, выполненные в виде изогнутых элементов - формы жестко соединенных друг с другом по боковой стороне. Каждая отклоняющая лопасть соединена с опорным кольцом. В нижней части стенки диффузора размещены по его диаметру радиальные отверстия, торцы стенок которых опираются на внешний диаметр опорного кольца. На боковой стенке диффузора, тангенциально к вертикальной оси и выше на 2/3 уровня цементного раствора от нижнего торца диффузора, выполнено отверстие, в котором по касательной одним концом установлен подводящий патрубок в виде трубы переменного сечения. Труба переменного сечения преобразуется из полого цилиндра в полый конус, имеющий переход в трубу большего диаметра, в которой размещен дроссельный узел, соединенный с цементным затвором. Диффузор снабжен съемной крышкой с отверстием, в котором установлен отводящий патрубок с отводящим рукавом.
Осреднительная емкость 10 в верхней части оборудована гидромеханическим перемешивателем с рабочим валом, на котором размещена лопастная насадка, при этом рабочий вал в средней части снабжен дополнительными лопастями. В донной части осреднительная емкость снабжена патрубком отвода готового цементного раствора.
Водоподающий насос и рециркуляционный насос установлены под смесительной 9 и осреднительной 10 емкостями и имеют гидроприводы, запитываемые от гидросистемы установки. Подпорный насос 20, соединенный с всасывающим коллектором трехплунжерного насоса 4, установлен под площадкой оператора и так же снабжен гидроприводом.
Блок управления включает площадку оператора, оборудованную системой контроля и управления.
Работа передвижного агрегата осуществляется следующим образом.
Для приготовления цементного раствора сухой цемент от линии пневмодачи направляется по трубопроводу через затвор поворотный в смеситель, объем подачи регулируется либо вручную маховиком, либо автоматически с помощью поворотного гидродвигателя.
Вода от водоподающего насоса поступает в патрубок смесителя. Для регулировки подачи воды служит диск клапанный. Расход воды регулируется вручную. Вода, проходя по наклонным пазам закручивается против часовой стрелки. В смесителе цемент с водой образуют водоцементную смесь (раствор). Далее поток цементного раствора поступает в трубу диффузора большего диаметра, в которой к нему добавляется поток рециркуляции.
Поток рециркуляции проходит через патрубки по рециркуляционным линиям от рециркуляционного насоса из смесительной емкости. Этот поток, усиливает завихрение против часовой стрелки из-за расположенных со смещением подводящих патрубков, по которым он подводится.
После объединения в один поток труба сужается, что приводит к росту скорости потока перед выходом его в диффузор. Пройдя через подводящий патрубок, поток цементного раствора опускается вниз по спирали. При достижении отклоняющихся лопастей, он начинает разделяться и вылетать через радиально расположенные отверстия внизу диффузора, при этом небольшая часть потока входит через отверстие в опорном кольце.
В смесительной емкости цементный раствор перемешивается гидромеханическим перемешивателем (мешалкой), на рабочем валу которого размещена лопастная насадка. В процессе перемешивания часть потока забирается насосом рециркуляции, а частично, поднимаясь вверх до уровня перелива, попадает в осреднительную емкость.
Неоднородный более тяжелый раствор опускается в донную часть смесительной емкости, откуда через патрубок рециркуляции направляется по рециркуляционным линиям в подводящие патрубки, а однородный, более легкий раствор переливается через общую стенку и наполняет осреднительную емкость, где продолжает перемешиваться мешалкой по всей высоте осреднительной емкости за счет расположения лопастей в средней части рабочего вала.
Из осреднительной емкости однородный цементный раствор через отводящий патрубок и подпорный насос направляется в гидравлическую часть трехплунжерного насоса, которым закачивается в нефтяную или газовую скважину.
Перед завершением процесса закачки нефтяной или газовой скважины выключается подача в смеситель сухого цемента и воды, при этом система рециркуляции продолжает работать. К моменту опорожнения осреднительной емкости открывается затвор в общей стенке и раствор из смесительной емкости стекает в осреднительную емкость, откуда закачивается в скважину на завершающем этапе цикла закачки цементного раствора.
Кроме описанного выше примера конкретного выполнения возможны иные, несколько отличные варианты выполнения передвижной установки, ее отдельных деталей и узлов, соответствующие притязаниям, изложенным в формуле изобретения.
Использование предложенного технического решения позволит создать агрегат насосный цементировочный, обеспечивающий безкавитационные режимы приготовления раствора, при этом расположение узлов агрегата на автомобильной платформе обеспечит требуемые условия доступа при его обслуживании и ремонте