Муфта цементировочная

Полезная модель относится к области нефтегазовой промышленности.
Известна нижняя разделительная пробка, содержащая корпус с осевым каналом, уплотнительные манжеты, диафрагму круглого сечения, и фиксатор диафрагмы, выполненный из колец, размещенных коаксиально в канале корпуса, где между кольцами установлена диафрагма [1].
Использование этой пробки в муфте цементировочной не обеспечит высокую надежность работы муфты цементировочной, и не обеспечивает высокое качество цементирования нефтяных или газовых скважин. При перекрытии циркуляционных отверстий муфты цементировочной, после срезания срезных элементов, предохраняющих преждевременное перекрытие циркуляционных отверстий, возможен гидроудар, в муфте цементировочной. Гидроудар обеспечивает значительные импульсные динамические нагрузки, на детали муфты цементировочной, что может привести к их поломкам. Кроме того, гидроудар обеспечивает значительные колебания муфты цементировочной в скважине, как в осевом, так и в радиальном направлениях, уже на стадии образования тампонажного камня в заколонном пространстве, что негативно влияет на качество цементирования нефтяных или газовых скважин.
Диафрагма нижней разделительной пробки, при возникновении гидроудара, может быть разрушена не полностью, а частично, или вообще не разрушена, а иметь после гидроудара только пластические или упругие деформации. В результате, гидроудар будет погашен только частично.
Известна цементировочная универсальная пробка, содержащая корпус с осевым каналом, уплотнительные манжеты, диафрагму круглого сечения, установленную в канале корпуса между размещенными коаксиально с последним, элементами фиксации круглого сечения, один из которых выполнен из перфорированного диска, и установлен над диафрагмой, или под диафрагмой [2].
Эта цементировочная универсальная пробка имеет такой самый недостаток.
Наиболее близкой является муфта цементировочная, содержащая полый цилиндрический корпус, имеющий циркуляционные отверстия корпуса, соединенный сверху, с верхним переводником, и соединенный снизу, с нижним переводником, нижнюю втулку, присоединенную к полому цилиндрическому корпусу изнутри нижнюю разделительную пробку, верхнюю втулку, присоединенную к полому цилиндрическому корпусу изнутри верхнюю разделительную пробку [3].
Муфта цементировочная не достаточно надежна в работе, и не обеспечивает высокое качество цементирования нефтяных или газовых скважин. Для перекрытия циркуляционных отверстий корпуса, обеспечивают необходимое давление рабочей жидкости, над верхней разделительной пробкой. Это приводит к упругому сжатию рабочей жидкости. При длине обсадной колонны от 100 метров и более, упругое сжатие рабочей жидкости, по длине обсадной колонны, может составлять около 5 миллиметров. Это приблизительно соответствует диаметру срезных элементов в муфте цементировочной, которые срезают давлением рабочей жидкости, при перекрытии циркуляционных отверстий корпуса. Срезание срезных элементов осуществляют энергией упругого сжатия рабочей жидкости. Это обуславливает быстрое движение верхней разделительной пробки, и возникновение гидроудара, который никак не гасят. Гидроудар обеспечивает значительные импульсные динамические нагрузки, на детали муфты цементировочной, что может привести к их поломкам. Кроме того, гидроудар обеспечивает значительные колебания муфты цементировочной в скважине как в осевом, так и в радиальном направлениях, что негативно влияет на качество цементирования нефтяных или газовых скважин.
В основу полезной модели поставлена задача, путем усовершенствования муфты цементировочной, увеличить надежность работы муфты цементировочной, и повысить качество цементирования нефтяных или газовых скважин, с помощью муфты цементировочной.
1. Поставленная задача решается тем, что в муфте цементировочной, содержащей полый цилиндрический корпус, имеющий циркуляционные отверстия корпуса, соединенный сверху с верхним переводником и соединенный снизу с нижним переводником, нижнюю и верхнюю втулки, присоединенные к полому цилиндрическому корпусу изнутри, новым является то, что полый цилиндрический корпус состоит из двух частей: верхней части цилиндрического корпуса, расположенной сверху, и нижней части цилиндрического корпуса, расположенной снизу, имеющей циркуляционные отверстия корпуса, где к нижней части полого цилиндрического корпуса изнутри присоединена упорная гайка, и нижняя втулка, содержащая срезные элементы нижней втулки, и содержащая уплотнительное кольцо нижней втулки, а к верхней части полого цилиндрического корпуса изнутри присоединена верхняя втулка, содержащая уплотнительное кольцо верхней втулки, и снаружи присоединен золотник, имеющий циркуляционные отверстия золотника, содержащий уплотнительные кольца золотника, при этом, к золотнику снаружи присоединен кожух, к которому присоединен срезной элемент золотника, где кожух имеет циркуляционные отверстия кожуха, а между кожухом и золотником расположен фиксатор, в виде упругого незамкнутого кольца, и при этом кожух имеет кольцевую проточку для фиксатора, а между верхней втулкой и золотником расположены вкладыши, при этом нижняя и верхняя втулки полого цилиндрического корпуса выполнены с возможностью установки в них нижней и верхней разделительных пробок, и кроме того, нижняя разделительная пробка содержит полую цилиндрическую деталь, к которой сверху присоединена верхняя втулка пробки, а снизу присоединена нижняя втулка пробки, и уплотнительное кольцо пробки, а к полой цилиндрической детали, снаружи, присоединены манжеты, с помощью крепежных деталей манжет, и в верхнюю втулку пробки, установлена полая цилиндрическая вставка, в которой расположена предохранительная пробка, так, что продольная ось симметрии предохранительной пробки совпадает с продольной осью симметрии полого цилиндрического корпуса, и предохранительная пробка присоединена к полой цилиндрической вставке, с помощью срезного элемента предохранительной пробки, при этом наружный диаметр предохранительной пробки D1 обусловлен соотношением: D1 = k1⋅D2, где D2 - внутренний диаметр полого цилиндрического корпуса, в месте расположения циркуляционных отверстий корпуса, a k1 - коэффициент пропорциональности, находящийся в пределах от 0.1, до 0.3, и высота предохранительной пробки H1 обусловлена соотношением: H1 = k1⋅D1, где k2 - коэффициент пропорциональности, находящийся в пределах от 0.7 до 1.5.
На фиг.1 схематически изображена муфта цементировочная, в начале работы, с частичным продольным сечением, по продольной оси симметрии. Продольная ось симметрии муфты цементировочной, обозначена буквой Q1. Пунктирными линиями указана нижняя разделительная пробка.
На фиг.2 схематически муфта цементировочная, с открытыми циркуляционными отверстиями корпуса, в продольном сечении. Продольная ось симметрии муфты цементировочной, обозначена буквой Q1. Продольная ось симметрии нижней разделительной пробки, обозначена буквой Q2. Пунктирными линиями указана верхняя разделительная пробка.
На фиг.3 изображено сечение А - А, указанное на фиг.2. Буквой D1 обозначен наружный диаметр предохранительной пробки. Буквой D2 обозначен внутренний диаметр полого цилиндрического корпуса, в месте расположения циркуляционных отверстий корпуса.
На фиг.4 изображена нижняя разделительная пробка, с частичным продольным сечением, по продольной оси симметрии. Продольная ось симметрии нижней разделительной пробки, обозначена буквой Q2. Буквой D1 обозначен наружный диаметр предохранительной пробки. Буквой H1 обозначена высота предохранительной пробки.
Муфта цементировочная состоит из полого цилиндрического корпуса, который состоит из двух частей, верхней части цилиндрического корпуса 1, расположенной сверху, и нижней части цилиндрического корпуса 2, расположенной снизу, при вертикальном расположении муфты цементировочной. Где нижняя часть цилиндрического корпуса 2, имеет циркуляционные отверстия корпуса 3. При этом, верхняя часть цилиндрического корпуса 1, соединена сверху, с верхним переводником 4. А нижняя часть цилиндрического корпуса 2, соединена снизу, с нижним переводником 5 (фиг.1-3).
К нижней части полого цилиндрического корпуса 2 изнутри присоединена упорная гайка 6. Также, к нижней части полого цилиндрического корпуса 2 изнутри присоединена, нижняя втулка 7, содержащая срезные элементы нижней втулки 8, и содержащая уплотнительное кольцо нижней втулки 9. (На фиг.3 изображено четыре срезных элемента нижней втулки 8.)
К верхней части полого цилиндрического корпуса 1 изнутри присоединена, верхняя втулка 10, содержащая уплотнительное кольцо верхней втулки 11. Также, к верхней части полого цилиндрического корпуса 1, снаружи, присоединен золотник 12, имеющий циркуляционные отверстия золотника 13, и содержащий уплотнительные кольца золотника 14. И к золотнику 12, снаружи, присоединен кожух 15, к которому присоединен срезной элемент золотника 16. Срезных элементов золотника 16 может быть больше одного. Кожух 15 имеет циркуляционные отверстия кожуха 17, и между кожухом 15 и золотником 12 расположен фиксатор 18, в виде упругого незамкнутого кольца. При этом кожух 15 имеет кольцевую проточку для фиксатора 19, а между верхней втулкой и золотником расположены вкладыши 20.
Также, муфта цементировочная состоит из нижней разделительной пробки, содержащую полую цилиндрическую деталь 21, к которой сверху присоединена верхняя втулка пробки 22, а снизу присоединена нижняя втулка пробки 23. К верхней втулке пробки 22, присоединено уплотнительное кольцо пробки 24 (фиг.2-4). К полой цилиндрической детали 21, снаружи, присоединены манжеты 25, с помощью крепежных деталей манжет 26. В верхнюю втулку пробки 22, установлена полая цилиндрическая вставка 27, в которой расположена предохранительная пробка 28, так, что продольная ось симметрии предохранительной пробки Q2, совпадает с продольной осью симметрии полого цилиндрического корпуса Q1, или близка к ней. Предохранительная пробка 28 присоединена к полой цилиндрической вставке 27, с помощью срезного элемента предохранительной пробки 29. Предохранительная пробка 28 может иметь уплотнительное кольцо (на фигуре не указано).
Нижняя и верхняя втулки полого цилиндрического корпуса выполнены с возможностью, установки в них нижней и верхней разделительных пробок.
И также, муфта цементировочная состоит из верхней разделительной пробки. Верхняя разделительная пробка, на фиг.2, указана схематически, пунктирными линиями.
Наружный диаметр предохранительной пробки D1 обусловлен соотношением: D1 = k1⋅D2, где D2 - внутренний диаметр полого цилиндрического корпуса, в месте расположения циркуляционных отверстий корпуса, a k1 - коэффициент пропорциональности, находящийся в пределах от 0.1, до 0.3. Высота предохранительной пробки HI обусловлена соотношением: H1 = k2⋅D1, где k2 - коэффициент пропорциональности, находящийся в пределах от 0.7 до 1.5.
Заявляемое устройство работает следующим образом. Муфту цементировочную крепят к обсадной трубе, с помощью переводников 4 и 5. После этого, муфту цементировочную в составе обсадной колонны, опускают в нефтяную или газовую скважину, и устанавливают в скважине на определенной глубине. Дальше, подают рабочую жидкость в обсадную колонну, и с помощью рабочей жидкости, транспортируют в муфту цементировочную, нижнюю разделительную пробку, до посадки ее в нижнюю втулку 7. Рабочей жидкостью может быт, например, буровой раствор. На фиг.1 положение нижней разделительной пробки, после посадки ее в нижнюю втулку 7, указано пунктирными линиями.
Установка нижней разделительной пробки, в нижнюю втулку 7, перекрывает поток рабочей жидкости через нижнюю втулку 7. Перекрывание потока рабочей жидкости обеспечивает верхняя втулка пробки 22, взаимодействующая с нижней втулкой 7, через уплотнительное кольцо пробки 24.
После этого, увеличивают давление рабочей жидкости до установленного значения, и используя давление рабочей жидкости, обеспечивают срезание срезных элементов нижней втулки 8. Под воздействием давления рабочей жидкости, перемещают нижнюю разделительную пробку, вместе нижней втулкой 7, до упора нижней втулки 7, в упорную гайку 6. В результате, открывают циркуляционные отверстия корпуса 3, циркуляционные отверстия золотника 13, и циркуляционные отверстия кожуха 17, для прохождения через них тампонажного раствора, необходимого для цементирования нефтяной или газовой скважины. После этого в муфту цементировочную подают тампонажный раствор, и осуществляют цементирование нефтяной или газовой скважины.
По окончании цементирования нефтяной или газовой скважины, с помощью рабочей жидкости, транспортируют в муфту цементировочную, верхнюю разделительную пробку, до посадки ее в верхнюю втулку 10. На фиг.2 положение верхней разделительной пробки, после посадки ее в верхнюю втулку 10, указано пунктирными линиями.
Установка верхней разделительной пробки, в верхнюю втулку 10, перекрывает поток рабочей жидкости через верхнюю втулку 10.
После этого, увеличивают давление рабочей жидкости до установленного значения, и используя давление рабочей жидкости, обеспечивают срезание срезного элемента золотника 16, и перемещение золотника 12, вниз, обеспечивая тем самым перекрытие циркуляционных отверстий корпуса 3, и циркуляционных отверстий кожуха 17. Этим предотвращают обратное перетекание тампонажного раствора в муфту цементировочную, после окончания подачи тампонажного раствора в муфту цементировочную.
Взаимодействие верхней втулки 10, с золотником 12, обеспечивают с помощью вкладышей 20. При перемещении золотника 12, вниз, вместе с золотником 12, перемещают фиксатор 18, в виде упругого незамкнутого кольца, в кольцевую проточку для фиксатора 19. Этим обеспечивают фиксированное положение золотника 12, после перекрытия циркуляционных отверстий корпуса 3, и циркуляционных отверстий кожуха 17. Уплотнительное кольцо нижней втулки 9, уплотнительное кольцо верхней втулки 11, уплотнительные кольца золотника 14, обеспечивают герметичное соединение подвижных деталей муфты цементировочной, с ее неподвижными деталями.
При увеличении давления рабочей жидкости, до установленного значения, необходимого для срезания срезного элемента золотника 16, происходит упругое сжатие рабочей жидкости в обсадной колонне. Упругое сжатие рабочей жидкости будет происходить по длине обсадной колонны, которая может достигать нескольких тысяч метров. Величина сжатия рабочей жидкости, в этом случае, может составлять несколько миллиметров, что соответствует габаритным размерам срезных элементов, в их плоскости среза. В результате, срезание срезных элементов золотника 16, может быть полностью, или в большей мере, осуществлено энергией упругого сжатия рабочей жидкости в обсадной колонне. После этого происходит ускоренное движение вниз, верхней втулки 10, вместе с верхней разделительной пробкой, и вместе со всей массой рабочей жидкости в обсадной колонне, под воздействием силы тяжести, и высвобождаемой энергии сжатия рабочей жидкости.
Происходит перекрытие циркуляционных отверстий корпуса 3, и циркуляционных отверстий кожуха 17, что обеспечивает резкое торможение движения верхней втулки 10, вместе с верхней разделительной пробкой, и вместе со всей массой рабочей жидкости, в обсадной колонне. Это порождает гидроудар, воздействующий на все детали муфты цементировочной.
Гидроудар также воздействует на предохранительную пробку 28, установленную в полой цилиндрической вставке 27, и присоединенную к полой цилиндрической вставке 27, с помощью срезного элемента предохранительной пробки 29.
Энергией гидроудара происходит срезание срезного элемента предохранительной пробки 29, и выталкивание предохранительной пробки 28 вниз, через полую цилиндрическую деталь 21. При выталкивании предохранительной пробки 28 вниз, через полую цилиндрическую деталь 21, происходит выталкивание части рабочей жидкости, находящейся над пробкой 28, и препятствующих герметичному перекрытию отверстий корпуса 3, и циркуляционных отверстий кожуха 17.
В результате, происходит гашение гидроудара, и снижение динамических нагрузок на детали муфты цементировочной.
Снижение динамических нагрузок на детали муфты цементировочной, увеличивает надежность работы муфты цементировочной.
Кроме того, обеспечивают надежное удаление части рабочей жидкости, находящейся над пробкой 28, через полую цилиндрическую деталь 21. Это дополнительно увеличивает надежность работы муфты цементировочной.
Также снижение динамических нагрузок на детали муфты цементировочной, снижает колебания муфты цементировочной, в скважине, как в осевом, так и в радиальном направлениях, во время образования тампонажного камня, в заколонном пространстве.
Это повышает качество цементирования нефтяных или газовых скважин. И все это обеспечивает достижение технического результата, при использовании муфты цементировочной, которая заявляется.
С помощью манжет 25, присоединенных к полой цилиндрической детали 21, снаружи, крепежных деталей манжет 26, обеспечивают устойчивое положение нижней разделительной пробки, в муфте цементировочной.
В соотношении D1 = k1⋅D2, коэффициент пропорциональности k1, не может быть меньше 0.1, поскольку в этом случае, гашения гидроудара будет недостаточным. И коэффициент пропорциональности k1, не может быть больше 0.3, поскольку в этом случае, при гашении гидроудара, произойдет значительное падение давления возле циркуляционных отверстий корпуса 3, что может вызвать обратный отток тампонажного раствора, в муфту цементировочную, при еще частично открытых циркуляционных отверстиях корпуса 3, и циркуляционных отверстиях кожуха 17.
Это негативно скажется на качестве цементирования нефтяной или газовой скважины.
В соотношении H1 = k2⋅D1, коэффициент пропорциональности k2, не может быть меньше 0.7, поскольку в этом случае, существует большая вероятность заклинивания предохранительной пробки 29, в полой цилиндрической вставке 27, или замедление движения ее в полой цилиндрической вставке 27, при гашении гидроудара, что обеспечит недостаточное гашение гидроудара. И коэффициент пропорциональности к2, не может быть больше 1.5, поскольку это неоправданно увеличит материалоемкость предохранительной пробки 29.
Таки образом, муфта цементировочная имеет высокую надежность работы, и обеспечивает высокое качество цементирования нефтяных или газовых скважин.