Скважинный электромеханический вибратор

Полезная модель относится к области бурения скважин, а именно к технике и технологии повышения качества цементирования заколонного пространства буровых скважин путем вибрационного воздействия на тампонажный раствор, в результате чего обеспечивается его оптимальное размещение и качественный контакт с породой и колонной.
Как известно, при бурении нефтяных и газовых скважин происходит разрушение естественных непроницаемых пород, препятствующих межпластовым перетокам флюидов. После завершения процесса бурения производится спуск колонны обсадных труб и заполнение заколонного пространства цементом. В настоящее время цементирование считается основным и наилучшим способом тампонажа скважины. Тампонажный раствор должен иметь надежный контакт как с колонной, так и с породой и плотно заполнять все промежутки между стенками скважины и обсадными трубами. При качественном цементировании решаются основные задачи: повышение прочности скважины; уменьшение возможности смятия, излома или искривления обсадных труб; устранение заколонных каналов сообщения пластов, межпластовых перетоков флюидов по кольцевому заколонному пространству, исключение газопроявления на устье и образования техногенных «вторичных» нефтегазовых залежей.
Повышение качества цементирования происходит на основе вибрационного воздействия на тампонажный раствор, в результате чего обеспечивается его оптимальное размещение и качественный контакт с породой и колонной.
3
Вибрационное воздействие как метод уплотнения и формования бетонных смесей повсеместно применяется в промышленности строительных материалов (0.3 млрд. м бетона в год). Метод прекрасно изучен и обеспечивает хорошее заполнение форм, эффективное уплотнение и повышение прочностных характеристик (Савинов О.А., Лавринович Е.В. Вибрационная техника уплотнения и формования бетонных смесей. - Л.: Стройиздат. Ленингр. отд-ние, 1986).
Известно устройство - электромеханический вибратор для повышения качества цементирования скважин (патент РФ №1544952, опубл. 23.02.1990 г.), представляющее собой полый цилиндрический корпус с размещенным внутри валом с дебалансом. Вал соответственно может вращаться. Над валом установлен гидравлический вихревой излучатель, выполненный в виде воронки с тангенциальными входными окнами. Нижний торец воронки соединен с цилиндрическим соплом, которое размещено внутри вала. Внутренняя поверхность вала выполнена с зубцами. Устройство работает следующим образом. Струи цементного раствора, входя в воронку, движутся по спирали, что приводит к возникновению ультразвукового поля, а при срыве струй с цилиндрического сопла - и к возникновению кавитационных эффектов и диспергированию цементного раствора. Дебаланс, вращаясь вместе с валом, возбуждает вибрационные колебания в обсадной колонне.
Недостатки устройства заключаются в следующем.
Устройство устанавливается фиксированно и не имеет возможности перемещения по стволу скважины, что снижает эффективность воздействия на удаленные от него участки. Длительность работы устройства ограничена, так как оно действует только в процессе прокачки тампонажного раствора. Перечисленные факторы исключают возможность направленного воздействия на тампонажный раствор в отдельных интервалах после размещения его в заколонном пространстве.
Известно устройство (патент РФ №2509868 «Вибратор электромеханический скважинный»), состоящее из корпуса, головки вибратора (прибора), компенсатора гидравлического давления, электродвигателя, соединительной муфты, дебаланса, вал которого установлен на опорах. На валу на торцевых экранах установлена цилиндрическая оболочка. Торцевые экраны и цилиндрическая оболочка расположены соосно оси вала дебаланса. В торцевых экранах выполнены технологические отверстия. Внутренняя полость устройства заполнена жидким диэлектриком, например трансформаторным маслом. Головка прибора стыкуется с кабельным наконечником на кабеле для подачи электропитания на электродвигатель. Работа устройства осуществляется следующим образом. С пульта управления с поверхности подается электрический ток по кабелю в электродвигатель, который через соединительную муфту приводит во вращение вал дебаланса. При этом цилиндрическая оболочка и торцевые экраны, установленные на дебалансе, снижают потери на трение дебаланса в жидком диэлектрике, что обеспечивает оптимальный уровень нагрузки электродвигателя. Колебания вращающегося вибратора с его корпуса через буровой раствор и стенку колонны обсадных труб передаются на тампонажную смесь. После завершения цикла воздействия прибор перемещают на следующий интервал, где необходимо провести обработку, и процесс повторяется.
Данное устройство обладает следующими недостатками. Первое - жесткое соединение вала двигателя с дебалансом в момент включения электродвигателя создает повышенные нагрузки за счет инерционности дебаланса и требует повышенный, в разы превосходящий ток рабочего режима, так называемый «пусковой ток». Так как электропитание к электродвигателю подводится через длинную линию с оммическим сопротивлением порядка первых десятков ом, то падение напряжения при повышенных токах на протяженной линии электропитания не позволит подать требуемый пусковой ток и электродвигатель не запустится. Потребуется увеличение питающего напряжения на наземном источнике питания с последующим его снижением при переходе в рабочий режим. Например, при длине кабеля 3 км и сопротивлениях жил кабеля по 13 Ом/км при пусковом токе 30 А дополнительное падение напряжения на жилах кабеля составит 390 В. Это дополнительное напряжение необходимо будет убрать при раскручивании дебаланса и переходе электродвигателя в рабочий режим, что существенно усложняет технологию проведения работ. Второе - устройство не имеет опоры на стенку скважины, вследствие чего при раскручивании электродвигателем дебаланса будет создаваться реактивная сила, стремящаяся закрутить статор электродвигателя и, соответственно, корпус прибора в обратную сторону. Как следствие, при высоких мощностях используемых электродвигателей существует реальная возможность закручивания питающего кабеля с образованием узлов и т.д. Третье - заполнение внутренних полостей прибора жидким диэлектриком ведет к снижению интенсивности образования вибрации вследствие высоких демпфирующих свойств последних.
Наиболее близким техническим решением является электромеханический вибратор для уплотнения бетонных растворов со встроенными электродвигателями ИВ-114А (http://rusinstroy.ru/vibratory-glubinnye/vysokochastotnye/iv-114а-380).
Данное устройство содержит корпус, соединенный с грузонесущим геофизическим кабелем, электрические жилы питания которого присоединены к электродвигателю, вал ротора которого, установленный в подшипнике, через кулачковую муфту, шпиндель в подшипнике, упругую муфту и бегунок связан с сердечником-дебалансом, опирающимся на подшипник.
Устройство работает следующим образом. При подаче на электродвигатель питающего напряжения начинается вращение его ротора, которое через кулачковую муфту, шпиндель, муфту упругую, бегунок передается на сердечник. Сердечник выполнен со смещенным относительно его оси центром масс, благодаря чему его вращение приводит к созданию вибрации с частотой вращения.
Недостатками данного устройства являются описанные выше недостатки аналогов: жесткая связь между оборотами вала электродвигателя и бегунком, что создает большой реактивный момент и требует большого пускового тока, и отсутствие опоры корпуса, что не предотвращает его вращение при раскручивании электродвигателя. Также недостатком устройства является невозможность его эксплуатации при повышенных гидростатических давлениях, существующих в буровых скважинах.
Описываемая полезная модель направлена на устранение указанных выше недостатков.
Техническим результатом настоящей полезной модели является создание скважинного электромеханического вибратора, позволяющего проводить вибрационное воздействие на тампонажный раствор в буровых скважинах без закручивания питающего кабеля в момент раскручивания дебаланса и увеличения пускового тока электродвигателя и при повышенном гидростатическом давлении, что, в конечном итоге, повышает надежность проведения вибрационной обработки тампонажного раствора и повышает его качество.
Поставленная задача решается за счет того, что скважинный электромеханический вибратор, содержащий корпус, соединенный с грузонесущим геофизическим кабелем, электрические жилы питания которого присоединены к электродвигателю, вал ротора которого, установленный в подшипнике, через кулачковую муфту, шпиндель в подшипнике, упругую муфту и бегунок связан с сердечником-дебалансом, опирающимся на подшипник, характеризуется тем, что вибратор дополнительно содержит муфту предельного момента, расположенную в разрыве шпинделя, и верхний и нижний центраторы, предназначенные для взаимодействия со стенками скважины. Описываемое устройство может быть помещено в герметичный охранный кожух, способный выдерживать высокие гидростатические давления, подведение электроэнергии осуществляется по геофизическому грузонесущему кабелю, имеющему герметизацию при его вводе в устройство, устройство в скважине подвешено на грузонесущий геофизический кабель.
Новым по отношению к ближайшему аналогу является то, что в описываемом устройстве между валом ротора электродвигателя и сердечником (дебалансом) размещена муфта предельного момента. Параметры муфты настраиваются таким образом, что проскальзывание происходит при некотором превышении крутящего момента величины свободного вращения. Благодаря этому в первый момент времени ротор электродвигателя раскручивается при нагрузках, немногим превышающих режимы работы без нагрузки. Постепенная передача крутящегося момента через муфту на сердечник (дебаланс) раскручивает его до скорости вращения ротора электродвигателя. При таком режиме работы электродвигателю не требуются большие пусковые токи и происходит постепенная передача энергии аналогично началу движения автомобиля при плавном отпускании сцепления, что уменьшает реактивный момент. Кроме того, для этой же цели служат центраторы, не позволяющие корпусу устройства прокручиваться под действием реактивных сил, возникающих при раскручивании сердечника (дебаланса).
Техническая сущность полезной модели поясняется чертежом, где на Фиг. 1 изображен разрез вибратора.
Вибратор содержит герметичный охранный корпус 1, грузонесущий геофизический кабель 2 с электрическими жилами 3 питания электродвигателя 4, вал ротора 5 которого, установленный в подшипнике 6, через кулачковую муфту 7, шпиндель 8 в подшипнике 9, упругую муфту 12 и бегунок 13 связан с сердечником-дебалансом 14, опирающимся на подшипник 15. Вибратор содержит муфту 10 предельного момента, расположенную в разрыве шпинделя (элементы 8 и 11), и нижний 16 и верхний 17 центраторы. На чертеже обозначены обсадная колонна 18, тампонажный раствор 19 и горная порода 20.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работы муфта предельного момента (10) настраивается таким образом, чтобы при раскрученном на номинальные обороты сердечнике-дебалансе не было ее проскальзывания, и лишь в случае повышения крутящего момента на втором шпинделе (11) относительно работы на номинальных оборотах на некоторое значение, например на 20%, начинается проскальзывание муфты предельного момента (10). После подсоединения к грузонесущему геофизическому кабелю (2) корпуса (1) производится спуск в заданный интервал в буровую скважину. После того как устройство достигнет нужной глубины, на поверхности через электрические жилы (3) грузонесущего геофизического кабеля (2) подается необходимое напряжение на электродвигатель (4). Вал ротора (5) электродвигателя начинает вращение, которое через муфту кулачковую (7) и первый шпиндель (8) передается на муфту предельного момента (10). Выходной вал муфты предельного момента (10) через второй шпиндель (11), упругую муфту (12), бегунок (13) передает вращающий момент на центрируемый в подшипнике (15) сердечник-дебаланс (14). В первоначальный момент усилие, требуемое для преодоление инерционности крутящихся деталей, в первую очередь массивного сердечника-дебаланса (14), существенно превышает усилие, затрачиваемое при уже раскрученной системе до требуемых оборотов, и происходит проскальзывание муфты предельного момента (10). В то же время часть энергии через муфту передается на сердечник-дебаланс, и он постепенно начинает раскручиваться.
Благодаря такому техническому решению не происходит закручивания грузонесущего геофизического кабеля (2) и существенно уменьшается ток потребления электродвигателя (4) при пуске. Стабильному положению устройства внутри колонны также способствует наличие центраторов, удерживающих прибор от вращения.