ПЕРЕДВИЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ ИЛИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН

Полезная модель относится к области нефтегазодобычи, а конкретно к технологическому оборудованию.
Известна установка двухнасосная УНБ-320х40-КрАЗ, содержащая размещенные на монтажной базе-автошасси : водоподающий насосный агрегат, состоящий из силовой установки и насоса, установленных за кабиной водителя, многоскоростную трансмиссию, соединенную с двумя трехплунжерными насосами, манифольд, систему выхлопа, осушки и обогрева, связанную с манифольдом, смеситель и мерный бак, установленные в конце монтажной базы, неотапливаемую кабину оператора с системой управления и контроля (патент RU №2225499 на изобретение, МПК Е21В 33/13).
Недостатком известной установки являются ограниченные функционально-технические возможности, неравномерность распределения масс по осям автошасси, ограниченное число снимаемых параметров, привод плунжерных насосов от мотора автошасси не обеспечивает надежность работы и в случае аварийных ситуации может привести к останову процесса цементирования, установкой не предусмотрен долговременный режим работы, мощность мотора-шасси недостаточна.
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, 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.
Прототип - передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин, включающая насосный блок, блок приема и распределения технологических жидкостей, блок приготовления тампонажных растворов, блок осреднения и блок управления и контроля, обвязанных системой трубопроводов, оборудованных запорной арматурой. Насосный блок содержит две дизельные установки, размещенные за кабиной водителя и расположенные на раме автомобильного шасси. Карданные валы с одной стороны соединены с дизельными установками, а с другой - с двумя трехплунжерными насосами, обеспечивающими перекачивание растворов и других вязких сред, жидкостей и материалов. Трехплунжерные насосы и блоки обратных клапанов размещаются поперек рамы автомобильного шасси, что позволяет снизить длину площадки для размещения технологического оборудования. В задней части рамы автомобильного шасси установлены водоподающий насос и рециркуляционный насос, участвующие в процессе приготовления раствора. Указанные насосы имеют гидроприводы, запитываемые от гидросистемы установки, давление рабочего тела в которой создается насосами гидросистемы, приводимыми посредством отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания привода шасси, и обвязаны трубопроводами. Над установленными на раме автомобильного шасси расположены карданные валы мерного бака для воды и технологических растворов, выполненного с двумя отсеками, причем каждый отсек оборудован отверстием в донной части для подключения к трубопроводу слива жидкости, при этом в верхней части каждой секции мерного бака установлены водоподающие линии, обеспечивающие подачу жидкостей в секции мерного бака от водоподающего насоса. Выше трехплунжерных насосов размещена площадка оператора, оборудованная пультом управления, обеспечивающим подачу питания на устройства автоматики, осветительные приборы и элементы системы контроля и визуализации, запуск и останов силовых агрегатов и управление всеми этапами цементировочных работ. В задней части автомобильного шасси над водоподающим и рециркуляционным насосами установлены блок приготовления тампонажных растворов и блок осреднения. Блок приготовления тампонажных растворов включает смесительную емкость, на верхнюю часть которой установлены смеситель для непрерывного приготовления раствора и перемешиватель. Блок осреднения включает осреднительную емкость большого объема, обеспечивающего буферный объем раствора, которая в верхней части оборудована перемешивателем. В донной части осреднительная емкость снабжена патрубком отвода готового цементного раствора. Смесительная емкость, входящая в блок приготовления тампонажных растворов, выполнена заодно с осреднительной емкостью, входящей в блок осреднения, за счет выполнения между ними одной общей стенки, которая имеет высоту меньше, чем высота других стенок емкостей, что позволяет обеспечить перелив верхней части приготовленного в смесительной емкости раствора, имеющего наиболее жидкую консистенцию достаточной степени осреднения, непосредственно в осреднительную емкость. Со стороны донной части емкостей стенка оборудована затвором, который открывается к моменту опорожнения осреднительной емкости для перетекания в нее остатков раствора из смесительной емкости на завершающем этапе цикла закачки цементного раствора в нефтяную или газовую скважину. Конструкция смесителя включает узел подачи сухого цемента, узел коллектора с регулируемой подачей воды и узел рециркуляции. Узел подачи сухого цемента и коллектор для подачи воды сопряжены между собой разъемным соединением, например соединены стягивающей резьбовой втулкой и шарниром, которые обеспечивают возможность расположения оси узла подачи сухого цемента параллельно оси коллектора. Связь между блоками передвижной установки осуществляется посредством системы трубопроводов, включающей манифольд подачи жидкости, связывающий нагнетательный патрубок водоподающего насоса и патрубки, образующие водоподающие линии мерного бака, манифольд низкого давления, связывающий осреднительную емкость и мерный бак с трехплунжерными, водоподающим и рециркуляционным насосами, манифольд высокого давления, обеспечивающий нагнетание цементного раствора и технологических жидкостей в скважину. Указанные трубопроводы размещены на раме автомобильного шасси и обвязывают блоки, входящие в установку (патент RU №2362674 на изобретение, МПК Е28С 5/00, Е21В 33/13).
Недостатком является низкая степень гомогенизации приготовляемого раствора.
Задачей создания полезной модели явилось обеспечение качества и надежности тампонирования за счет высокой степени гомогенизации раствора и непрерывности его приготовления.
Технический результат за счет применения в конструкции диффузора отклоняющих лопастей в виде изогнутых прямоугольных элементов, соединенных боковой стенкой с прямоугольными радиальными отверстиями, обеспечивает дополнительную гомогенизацию раствора при отклонении потока и придания ему дополнительных завихрений.
Технический результат за счет применения наклонных пазов в корпусе коллектора позволяет жидкости затворения менять направление и закручиваться, что увеличивает степень гомогенизации раствора.
Технический результат от использования подводящего патрубка с меняющимися по всей его длине диаметрами трубы, позволяет раствору, поступающему в диффузор, получать повышенную скорость потока, что увеличивает степень гомогенизации раствора.
Технический результат от использования подпорного насоса соединенного напорной линией со всасывающими коллекторами трехплунжерных насосов, выражается в том, что при закачке тяжелых растворов с высокой вязкостью при больших скоростях их закачки, исключается недостаточное наполнение насосов раствором, а следовательно обеспечивается непрерывность работы установки.
Поставленная задача достигается тем, передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин, состоящая из размещенных на одной мобильной базе блоков, включая насосный блок, содержащий силовые дизельные установки, соединенные с трехплунжерными насосами с помощью, размещенных на раме шасси карданных валов, при этом на раме также размещены водоподающий и рециркуляционный насосы, имеющие гидроприводы и систему трубопроводов, а над узлами, размещенными на раме, установлены блок приема и распределения технологических жидкостей, блок управления с площадкой оператора, оборудованную системой контроля и управления, обвязанных трубопроводами, оборудованными запорной арматурой, причем в задней части шасси размещены совмещенный блок приготовления тампонажных растворов и блок осреднения, выполненной заодно со смесительной и осреднительной емкостями, имеющими общую стенку, а 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 выполнена заодно с патрубком отвода готового цементного раствора, согласно полезной модели, в смесительной емкости установлен диффузор, жестко закрепленный вертикально в отверстии ее верхней торцевой крышки при помощи опорного элемента, причем диффузор имеет форму полого цилиндра, к нижнему торцу которого жестко прикреплено опорное кольцо, на котором расположены равноотстоящие друг от друга отклоняющие лопасти, выполненные в виде прямоугольных изогнутых элементов жестко прикрепленных нижней торцевой поверхностью поперек к внутренней поверхности опорного кольца, при этом в нижней части стенки диффузора по его диаметру размещены радиально, равноотстоящие друг от друга, прямоугольные отверстия, торцы стенок которых опираются на внешний диаметр опорного кольца, а одна из боковых сторон каждой отклоняющей лопасти жестко соединена с боковой стороной стенки каждого прямоугольного отверстия, при этом на боковой стенке диффузора выше уровня цементного раствора выполнено входное отверстие, в которое по касательной к диаметру диффузора под углом 55°-60° к вертикальной оси одним концом жестко установлен подводящий патрубок в виде трубы переменного сечения, преобразованной из полого цилиндра в конический цилиндр, имеющий переход в трубу большего диаметра, 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, причем на раме под осреднительной емкостью установлен подпорный насос, соединенный напорной линией со всасывающими коллекторами трехплунжерных насосов.
Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен вид с боку передвижной установки на базе шасси, фиг. 2 - совмещенный блок приготовления тампонажных растворов и осреднения, фиг. 3 - смеситель, фиг. 4 - смеситель в разрезе, фиг. 5 - смеситель с емкостью и подводящим патрубком в плане, фиг. 6 - вид смесителя с подводящим патрубком сверху, фиг. 7 - вид А, фиг. 8 - диффузор с крышкой, фиг. 9 - дроссельный узел с коллектором.
Передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин монтируется на базе автомобильного шасси 1 (фиг. 1). Насосный блок, содержит дизельные силовые установки 2 и 3, размещенные на передней части автомобильного шасси 1, которые с помощью карданных валов (на чертеже не показаны), связаны с трехплунжерными 4, 5 насосами, установленными на раме 6. За силовыми дизельными установками 2 и 3 над карданными валами размещен блок приема и распределения технологических жидкостей, который содержит мерный бак 7, состоящий из двух секций, оборудованных в донной части отверстиями для слива. Секции в верхней части оборудованы двумя водоподающими линиями 8, соединенными с водоподающими насосами (на чертеже не показаны).
В задней части автомобильного шасси 1 размещены совмещенный блок приготовления тампонажных растворов и блок осреднения (фиг. 2), которые включают выполненные заодно смесительную 9 и осреднительную 10 емкость большего размера, имеющие общую стенку 11, высота которой меньше высоты других стенок смесительной 9 и осреднительной 10 емкостей. Со стороны донной части осреднительной 10 емкости установлен патрубок с затвором 12 для отвода готового цементного раствора. Смесительная емкость 9 оборудована в верхней части вертикально установленным смесителем 13 и перемешивателем 14 с рабочим валом 15, на котором размещена лопастная насадка 16. В донной части смесительная емкость 9 имеет выходное отверстие 17, через которое она связана с трубопроводом рециркуляции 18, соединенным через рециркуляционный 19 насос с узлом рециркуляции (на чертеже не показан) смесителя 13. Смеситель 13 (фиг. 3) включает, затвор поворотный 20, маховик 21 и поворотный гидродвигатель 22 (соединение смесителя 13 с линией пневмоподачи цемента от внешнего накопителя не показано); регулируемую подачу воды в узел подачи воды, включающий патрубок подвода жидкости затворения 23 и диск клапанный 24, тягу 25 и редуктор с маховиком 26. Узел рециркуляции, включает патрубки рециркуляции 27 и рециркуляционные линии 28.
Смесительная емкость 9 содержит диффузор 29, жестко закрепленный вертикально в отверстии 30 ее верхней торцевой крышки 31 при помощи опорного элемента 32 в виде фланца. Диффузор 29 имеет форму полого цилиндра 33. К его нижнему торцу жестко прикреплено опорное кольцо 34, на котором расположены поперек равноотстоящие друг от друга отклоняющие лопасти 35, выполненные в виде изогнутых прямоугольных элементов. Каждая отклоняющая лопасть 35 жестко соединена поперек нижней стороной с опорным кольцом 34, имеющим внутреннее отверстие 36. В нижней части стенки диффузора 29 размещены по его диаметру радиальные, равноотстоящие друг от друга, прямоугольные отверстия 37, торцы стенок которых опираются на внешний диаметр опорного кольца 34. Боковая поверхность каждой отклоняющей лопасти 35 жестко соединена с боковой поверхностью стенки каждого прямоугольного отверстия 37. На боковой стенке 38 диффузора 29 выше уровня цементного раствора выполнено входное отверстие 39 (фиг. 4). В него по касательной под углом 55°-60° к вертикальной оси одним концом вставлен подводящий патрубок 40 в виде трубы переменного сечения. При размещении подводящего патрубка 40 под углом меньше 55° его более горизонтальное положение приводит к увеличению сопротивления потока, а при размещении подводящего патрубка 40 под углом больше 60° его более вертикальное положение приводит к выходу за габариты агрегата. Подводящий патрубок 40 преобразуется из полого цилиндра 41 в конический цилиндр 42, имеющий переход в трубу большего диаметра 43. В ней размещен дроссельный узел 44 с коллектором 45. Коллектор 45 выполнен в виде направляющего корпуса 46 с наклонными пазами 47 (фиг. 8). Дроссельный узел 44 с коллектором 45 соединен с цементным затвором 48 узла подачи сухого цемента. К боковой стенке 49 трубы большего диаметра 43 присоединен узел подачи воды в коллектор 45 (фиг. 3). Сверху диффузор 29 снабжен съемной крышкой 50 с центральным отверстием 51, в которое установлен отводящий патрубок 52, с отводящим рукавом 53. Осреднительная емкость 10 в верхней части оборудована гидромеханическим перемешивателем 54 с рабочим валом 15, на котором размещена лопастная насадка 16. Они аналогичны этим элементам смесительной емкости 9. При этом рабочий вал 15 в средней части снабжен дополнительными лопастями 55. В донной части осреднительная емкость 10 снабжена патрубком отвода готового цементного раствора (на чертеже не показан). Водоподающий насос (на чертеже не показан) и рециркуляционный 19 насос установлены под смесительной 9 и осреднительной 10 емкостями и имеют гидроприводы (на чертеже не показаны), запитываемые от гидросистемы установки. На раме 6 под осреднительной 10 емкостью размещен подпорный 56 насос, соединенный напорной линией (на чертеже не показана) со всасывающими коллекторами трехплунжерных 4, 5 насосов. Блок управления включает площадку оператора 57, оборудованную системой контроля и управления 58.
Работа передвижной установки осуществляется следующим образом.
Для приготовления цементного раствора сухой цемент от линии пневмодачи направляется по трубопроводу через затвор поворотный 20 в смеситель 13. Объем его подачи регулируется либо вручную маховиком 26, либо автоматически с помощью поворотного гидродвигателя 22. Вода от водоподающего насоса поступает в патрубок подвода жидкости затворения 23 смесителя 13. Для регулировки подачи воды служит диск клапанный 24. Расход воды регулируется вручную. В смесителе 13 цемент с водой образуют водоцементную смесь, к которой дополнительно через патрубки рециркуляции 27 по рециркуляционным линиям 28 от рециркуляционного 19 насоса подводится подготовленный (готовый) раствор из смесительной емкости 9. Поток цементного раствора, поступающий из смесительной емкости 9, закручивается против часовой стрелки из-за наклонных пазов 47 в узле коллектора 45, по которым подводится жидкость затворения, т.е. вода пресная, иногда с различными добавками. Далее поток цементного раствора поступает в трубу большего диаметра 43 диффузора 29, в которой к нему добавляется поток рециркуляции, усиливая завихрения против часовой стрелки. После объединения, поток, проходя по трубам 42 и 41, которые сужаются, увеличивает свою скорость перед выходом в диффузор 29. Пройдя через подводящий патрубок 40, поток цементного раствора опускается вниз по спирали, проходя дополнительную гомогенизацию. При достижении отклоняющих лопастей 35, он начинает разделяться на отдельные потоки и вылетать через прямоугольные 37 отверстия диффузора 29. При этом небольшая часть потока выходит через внутреннее 36 отверстие в опорном кольце 34. Затем поток попадает в смесительную емкость 9, где перемешивается до получения однородного состава. При этом, неоднородный, более тяжелый раствор, опускается в донную часть смесительной емкости 9, откуда через патрубок рециркуляции 18 забирается рециркуляционным 19 насосом и направляется по рециркуляционным линиям 28 в коллектор 45, а однородный, более легкий раствор переливается через общую стенку 11 и наполняет осреднительную емкость 10, где продолжает смешиваться гидромеханическим перемешивателем 54 по всей высоте осреднительной емкости 10 за счет расположения дополнительных лопастей 55 в средней части рабочего вала 15. Из осреднительной емкости 10 однородный цементный раствор через выводящий патрубок (на чертеже не показан) и подпорный 56 насос направляется в гидравлические части трехплунжерных насосов 4,5, которыми закачивается в нефтяную или газовую скважину. Образующаяся цементная пыль выводится через отводящий рукав 53 в атмосферу. Таким образом, процесс гомогенизации проходит три стадии: первая - при смешивании с водой, проходящей по наклонным пазам 47 корпуса коллектора 45, вторая - в подводящем патрубке 40 в виде труб переменного сечения, третья - в диффузоре 29 с отклоняющими лопастями 35.
Перед завершением процесса закачки нефтяной или газовой скважины выключается подача в смеситель 13 сухого цемента и воды, при этом система рециркуляции продолжает работать. К моменту опорожнения осреднительной емкости 10 открывается затвор 12 в общей стенке 11 и раствор из смесительной емкости 9 стекает в осреднительную емкость 10, откуда закачивается в скважину на завершающем этапе цикла закачки цементного раствора в нефтяную или газовую скважину.
Полезная модель найдет применение в нефтегазодобычи при закачке тампонажного раствора в скважины.