ВИБРОБАШМАК ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 1996 года по МПК E21B33/16 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для крепления скважин.

Известен вибробашмак обсадной колонны, включающий полый корпус, направляющую пробку, связанную с нижней частью корпуса, предохранительный клапан в верхней части корпуса, полость генератора гидравлических импульсов, входной и выходной каналы полости вдоль корпуса, боковые каналы корпуса, помещенные в полости элементы открытия-закрытия боковых отверстий, установленные на осях с возможностью вращения.

Недостатком этого вибробашмака, генерирующего низкочастотные импульсы давления, является сложность выполнения овальных зубчатых колес /элементов открытия-закрытия боковых каналов/ и фигурное выполнение полости, в которой они размещены. Кроме того, в процессе цементирования обвальные зубчатые колеса подвержены усиленному абразивному износу цементным раствором, истекающим из сопла, что через некоторое время может вызвать его подклинку, ухудшение или даже остановку работы вибратора.

Известен также вибробашмак обсадной колонны, включающий полый корпус с радиальными отверстиями, переводник, связывающий корпус с обсадной колонной, полую направляющую пробку с утолщенным патрубком, связанную с нижней частью корпуса, генератор гидравлических импульсов, помещенный в корпусе против его радиальных отверстий и имеющий перпендикулярную оси корпуса цилиндрическую полость, связанную с внешним пространством через радиальные отверстия корпуса, и тангенциальный входной канал, связывающий полость корпуса с цилиндрической полостью, и гайки с конусными отверстиями.

Недостатком этого вибробашмака является то, что он генерирует только высокочастотные импульсы давления, дальность распространения которых в жидкости меньше, чем низкочастотных. К тому же резонансные явления, благоприятно влияющие на качество цементирования, не могут возникнуть при высоких частотах. Кроме того, из-за малых размеров генераторов гидравлических импульсов с небольшим входным тангенциальным щелевым отверстием, он подвержен усиленному абразивному износу, что даже при небольшом периоде работы в процессе цементирования его нельзя изготовлять из обычных широкоприменяемых легкоразбуриваемых материалов /чугуна, алюминия и его сплавов/. Изготовлять же из твердых сплавов также нельзя, поскольку башмак должен удовлетворять условию разбуривания. Поэтому могут использоваться цилиндрические патрубки, изготовляемые только из специальных абразивостойких и одновременно легкоразбуриваемых материалов, например дифицитного силицированного графита, что вызывает осложнения при изготовлении вибробашмака.

Сущность изобретения заключается в том, что в вибробашмаке обсадной колонны генератор гидравлических импульсов выполнен в виде цилиндра, концентрично размещенного в корпусе и выполненного с нижним осевым выходным каналом, сообщающим цилиндрическую полость с полостью корпуса под генератором гидравлических импульсов, боковыми каналами против радиальных отверстий корпуса и двумя продольными штырями с закрепленной на них осью с лепестком, помещенным в средней части цилиндрической полости, а гайки ориентированы конусными отверстиями в сторону цилиндрической полости и размещены в последней, при этом лепесток установлен на оси с возможностью вращения относительно ее и открытия-закрытия боковых и осевого выходного каналов.

Технический результат выражается в упрощении конструкции и технологичности ее изготовлении, а также повышении качества цементирования за счет обеспечения возможности генерирования одновременно высокочастотных и низкочастотных импульсов давления в прокачиваемом растворе.

На фиг. 1 изображен разрез общего вида вибробашмака обсадной колонны в исходном положении на фиг. 2 показан разрез А-А на фиг. 1 на фиг. 3 - сечение Б-Б на фиг. 1 на фиг. 4 сечение В-В на фиг. 1 на фиг. 5 изображен генератор гидравлических импульсов вибробашмака в рабочем состоянии при перекрытии бокового канала.

Вибробашмак обсадной колонны состоит из полого корпуса 1. Переводник 2 /муфта/ связывает корпус 1 с обсадной колонной, а с нижней частью корпуса 1 связаны утолщенный патрубок 3, который в свою очередь связан с направляющей пробкой 4. Внутри корпуса 1 концентрично размещен, например чугунный или дюралевый, генератор гидравлических импульсов, выполненный в виде цилиндра 5 с уплотнительными кольцами 6, зафиксированный сверху и снизу упорными кольцами 7. Выше цилиндра 5 в стенках корпуса 1 установлены предохранительные клапана 8. В средней части по высоте цилиндра 5 перпендикулярно его осевой линии выполнена цилиндрическая полость 9. В верхней части цилиндра 5 выполнен входной тангенциальный канал 10 в среднюю часть цилиндрической полости 9, связывающий последний с полостью корпуса 1, в нижней части цилиндра 5 осевой выходной канал 11, сообщающий цилиндрическую полость 9 с полостью корпуса 1 под цилиндром 5, а в плоскости, перпендикулярной осевой линии цилиндра 5 - боковой канал 12. В вертикальной плоскости цилиндра 5, совпадающей с цилиндрической плоскостью 9, выполнены два сквозных продольных отверстия 13, в которые установлены штыри 14 /или шпильки 14 для удобства регулировки гайками 15/, посаженные в отверстиях 13, например на клеевом соединении или уплотнены резиновыми кольцами 16. В штырях 14 на одном уровне выполнены отверстия 17, в которые внутри цилиндрической полости 9 закреплена ось 18 с вращающимся на ней элементом открытия-закрытия 19 осевого 11 и бокового 12 канала цилиндра 5. Элемент открытия-закрытия 19 выполнен в виде лепестка с площадью торцевой части 20 не менее просветов осевого 11 и бокового 12 каналов. Ось 18 фиксируется в штырях 14, например, шайбами 21 и разводными штифтами 22, что позволяет оси 18 также проворачиваться. По концам в цилиндрическую полость 9 помещены /например, ввернуты и дополнительно посаженные на клею/ гайки 23 с конусными отверстиями 24, конусные поверхности 25 которых ориентированы в сторону цилиндрической полости 9. При этом в корпусе 1 выполнены радиальные отверстия 26 против конусных отверстий 24 гаек 23, причем размером больше последних, но меньше диаметра цилиндрической полости 9. Против бокового канала 12 цилиндра 5 в корпусе 1 выполнено радиальное отверстие 27 большего размера. Штыри 14, ось 18, лепесток 19 и гайки 23 также, как и цилиндр 5, изготовлены из легкоразбуриваемого материала, например, чугуна.

Вибробашмак обсадной колонны работает следующим образом.

В процессе промежуточных профилактических промывок при спуске в скважину или цементировании обсадной колонны раствор по тангенциальному каналу 10 направляется в цилиндрическую полость 9, где по закону сохранения количества движения приобретает ускоренное вращение, увлекая за собой лепесток 19, при вращении которого попеременно открываются и закрываются осевой выходной 11 и боковой 12 каналы, поэтому часть раствора продолжает прерывистое движение вначале вниз вдоль вибробашмака с последующим выходом через направляющую пробку 4 в заколонное пространство, а также прерывистое истечение непосредстренно наружу в кольцевое пространство скважины. Эти искусственно создаваемые низкочастотные колебания в потоке раствора вместе с отраженными волнами распространяются по стволу скважины на несколько десятков метров от места нахождения вибробашмака, а в случае вхождения их в резонанс /синхронность, равенство/ амплитуда пульсаций увеличивается, поэтому их дальность распространения увеличивается на сотни метров от забоя, что позволяет в результате турбулизации потока на этом участке повысить степень вытеснения бурового раствора тампонажным, уменьшить толщину глинистой корки и виброобработать проницаемые участки ствола скважины. Одновременно вращающийся поток раствора в цилиндрической полости 9 раздваивается на два потока в разные стороны и по ходу разрезается штырями 14, при соударении с которыми частички цементного раствора истираются. Далее в конусных отверстиях 24,25 происходит ускорение вращающегося потока с образованием вихрей, в осевой зоне которых создаются области разряжения. При выходе из отверстий 24 гаек 23 в зону повышенного давления кавитационные полости, заполненные парогазовой фазой, схлопываются, вызывая при этом пульсации давления ультразвуковой частоты. Генерируемое при истечении из отверстий 24 мощное акустическое поле усиливается корпусом 1 /фиг. 4/ и распространяется по обсадной колонне, что улучшает их отмыв от бурового раствора. В кавитационном поле в небольшой части цементного раствора и, распространяющемся на несколько метров ультразвуковом поле во всем объеме цементного раствора активизируется процесс растворения новообразований с увеличением центров кристаллизации, что в последующем позволит повысить качество цементного камня. Совместная работа низкочастотного и высокочастотного генераторов импульсов давления будет способствовать усилению высокочастотных вибраций. Так в момент перекрытия лепестком 19 осевого 11 или бокового 12 каналов в цилиндрической полости 9 резко повысится, выше обычного, давление, поэтому в этот момент будет происходить массовое схлопывание кавитационных полостей в вихревом потоке, что будет способствовать увеличению отрицательного скачка высокочастотных колебаний. Через мгновение уже больший расход цементного раствора будет направляться в отверстия 24 гаек 23 и развивается более мощный вихрь с положительным скачком давления. Увеличение амплитуды высокочастотных колебаний в момент перекрытия каналов 11,12 низкочастотного вибратора будет также способствовать увеличению дальности их распространения, а значит увеличению времени активизации ультразвуковым полем прокачиваемого цементного раствора.

Предлагаемый комбинированный вибробашмак имеет простую конструкцию, технологичную в изготовлении, причем из легкоразбуриваемых материалов, и сборке; абразивное увеличение входного тангенциального канала и выходных отверстий гаек несущественно ухудшит работу высокочастотного генератора импульсов давления, а абразивное увеличение осевого и бокового каналов практически не скажется на ухудшении работы низкочастотного генератора импульсов давления; наряду с вышеперечисленным позволит повысить качество цементирования, как улучшением сцепления цементного камня в контактных зонах "обсадная колонна цементный камень горная порода", так и улучшением свойств уплотненного и упрочненного цементного камня. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: в качестве оснастки низа обсадных колонн при их цементировании. Обеспечивает одновременное распространение высокочастотных и низкочастотных импульсов давления в кольцевом пространстве скважины, что сказывается на существенном повышении качества цементирования. Сущность изобретения: устройство включает полый корпуса. Он связан с утолщенным патрубком и полой направляющей пробкой. Внутри корпуса концентрично помещен цилиндр. В нем перпендикулярно его осевой линии выполнена цилиндрическая полость, входной тангенциальный канал в цилиндрическую полость, выходной осевой и боковой каналы из цилиндрической полости. Кроме того, в продольной плоскости цилиндра выполнены два сквозных отверстия под штыри для закрепления на них в цилиндрической полости оси. На ней в средней части помещен с возможностью вращения элемент открытия-закрытия осевого и бокового каналов. Он выполнен в виде лепестка. Цилиндрическая полость с двух сторон перекрыта гайками с конусными отверстиями. В корпусе выполнены радиальные отверстия против отверстий гаек и бокового канала цилиндра. Он представляет собой генератор гидравлических импульсов. 5 ил.

Вибробашмак обсадной колонны, включающий полый корпус с радиальными отверстиями, переводник, связывающий корпус с обсадной колонной, полую направляющую пробку с утолщенным патрубком, связанную с нижней частью корпуса, генератор гидравлических импульсов, помещенный в корпусе против его радиальных отверстий и имеющий перпендикулярную оси корпуса цилиндрическую полость, связанную с внешним пространством через радиальные отверстия корпуса, и тангенциальный входной канал, связывающий полость корпуса с цилиндрической полостью, и гайки с конусными отверстиями, отличающийся тем, что генератор гидравлических импульсов выполнен в виде цилиндра, концентрично размещенного в корпусе и выполненного с нижним осевым выходным каналом, сообщающим цилиндрическую полость с полостью корпуса под генератором гидравлических импульсов, боковыми каналами против радиальных отверстий корпуса и двумя продольными штырями с закрепленной на них осью с лепестком, помещенным в средней части цилиндрической полости, а гайки ориентированы конусными отверстиями в сторону цилиндрической полости и размещены в последней, при этом лепесток установлен на оси с возможностью вращения относительно ее и открытия-закрытия боковых и осевого выходных каналов.