УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАТНОГО ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ ПОТАЙНОЙ КОЛОННЫ Российский патент 1996 года по МПК E21B33/14 

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

Известно устройство для обратного цементирования потайной колонны, включающее несущую колонну, разъединитель с муфтой и ниппелем, выполненный в виде гидровибратора, совмещенные цементировочные отверстия в муфте и ниппеле разъединителя, продольные циркуляционные каналы в ниппеле, размещенный на муфте выше цементировочных отверстий корпус герметизатора с уплотнительными элементами и направляющей воронкой [1]
Недостатком этого устройства является сложная конструкция ниппеля, генерирующего в прокачиваемом растворе только низкочастотные импульсы давления, причем требующего наличия гидравлического забойного двигателя. Большое количество вращающихся элементов удлиненной конструкции не только усложняет изготовление, но и снижает надежность работы в цементном растворе. Диспергатор, размещенный в совмещенных цементировочных отверстиях, недостаточно эффективно активирует цементный раствор.

Известно также устройство для обратного цементирования потайной колонны, включающее ниппель и муфту разъединителя с совмещенными боковыми цементировочными отверстиями, продольные циркуляционные каналы ниппеля, закрепленный на муфте выше цементировочных отверстий корпус герметизатора с торцевым упором, направляющей воронкой и размещенные между ними снаружи корпуса герметизатора уплотнительные элементы, расположенная в ниппеле трубка с тангенциальными входными отверстиями в вихревую камеру, входной продольный канал в цилиндрическую полость ниппеля, заглушку, установленную в цилиндрической полости [2]
Недостатком этого устройства также является сложность выполнения ниппеля в виде вихревого излучателя с фигурной формой продольного канала. Кроме того, проходящий через вихревой излучатель и трубки в форме Вентури цементный раствор хорошо активируется в кавитационном поле вихревых камер, однако генерируемые ими акустические поля ультразвуковой частоты имеют небольшую дальность распространения в жидкости, что уменьшает расстояние эффективного вытеснения бурового раствора тампонажным, по сравнению с низкочастотными импульсами давлений.

Цель изобретения одновременное повышение степени активации тампонажного раствора с увеличением дальности вибровоздействия за счет генерирования, как низкочастотных, так и высокочастотных импульсов давления в прокачиваемом растворе.

Цель достигается тем, что в устройстве для обратного цементирования потайной колонны цилиндрическая полость ниппеля выполнена в горизонтальной плоскости на уровне бокового цементировочного отверстия, а входной продольный канал выполнен тангенциально направленным в противоположной стороне от бокового цементировочного отверстия, причем в ниппеле ниже основного выполнено дополнительное боковое цементировочное отверстие тангенциально выходящее из цилиндрической полости, при этом цилиндрическая полость снабжена дополнительной заглушкой, а внутри цилиндрической полости вдоль осевой линии помещена трубка, встроенная в заглушки, и с возможностью вращения на трубке
перекрыватель боковых цементировочных отверстий, выполненный в виде односторонней пластины с окном в свободной стороне, причем вихревая камера трубки выполнена в виде сквозного отверстия круглого сечения, а тангенциальные входные отверстия выполнены в средней части трубки в направлении, совпадающем с направлением тангенциального канала, при этом в заглушках выполнены диффузоры, совмещенные с отверстием трубки, а в муфте напротив заглушек выполнены дополнительные радиальные отверстия.

Совокупность предлагаемых признаков устройства не выявлена в предшествующей технике по всем видам общедоступных сведений, поэтому техническое решение является новым.

Устройство существенно упрощено, так по сравнению с аналогом [1] исключен гидравлический забойный двигатель. Его функции выполняют тангенциально направленный в цилиндрическую полость входной канал ниппеля. Вращающаяся масса перекрывателя в сравнении с золотником в аналоге значительно уменьшена. Трубка одновременно выполняется функции оси вращения для перекрывателя и генератора кавитационного и ультразвуковых полей. Устройство генерирует также и низкочастотные импульсы, которые не заглушают высокочастотные импульсы, поскольку при вращении пластины с окном они генерируются поочередно. Существенно упрощена трубка с отверстием круглого сечения, а не с конфузором, цилиндрическим участком и диффузором как в прототипе [2] Устройство позволяет гарантированно закончить процесс цементирования с вибровоздействием даже в случае заклинки перекрывателя напротив одного из боковых цементировочных отверстий. Устройство не требует установки специального "стоп-кольца", поскольку его функции выполняет верхняя торцовая поверхность ниппеля. Заглушки с диффузорами не только перекрывают цилиндрическую полость, но и являются частью генератора высокочастотных импульсов давления (продолжением трубки).

Как видно, многие детали устройства выполняют дополнительные функции, устройство приобретает дополнительные сверхсуммарные свойства, все это благодаря особому выполнению и расположению его элементов, что для специалистов явным образом не следует из уровня техники, поэтому техническое решение имеет изобретательский уровень.

Устройство может найти широкое применение в нефтегазовой промышленности и геологоразведке при креплении и цементировании многоколонных скважин.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует всем требованиям, предъявляемым к изобретениям, для предоставления правовой охраны.

На фиг. 1 изображен общий вид устройства в разрезе; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 увеличенный вид Б в цилиндрическую полость на фиг. 1; на фиг. 4 работа устройства в увеличенном масштабе.

Устройство для обратного цементирования потайной колонны состоит из ниппеля 1 и муфты 2 разъединителя, соединенных посредством левой резьбы 3. Сверху к муфте 2 присоединен корпус 4 герметизатора с нижним торцевым выступом 5. Снаружи корпуса 4 размещены уплотнительные элементы 6, удерживаемые на нем верхней воронкой 7. Снизу муфта 2 соединена с потайной колонной 8. В средней части ниппеля 1 и в горизонтальной плоскости выполнена цилиндрическая полость 9, в среднюю часть которой в продольной плоскости выполнен входной тангенциальный канал 10, а в противоположной ему половине цилиндрической полости 9 ниппеля 1 выполнены два выходных боковых цементировочных отверстий 11 и 12, нижний 12 из которых также тангенциальный. По бокам в цилиндрическую полость 9 ввернуты заглушки 13 с карманами 14 с внутренней стороны и диффузорами 15 снаружи. Внутри цилиндрической полости 9 помещены трубка 16, встроенная в карманы 14 заглушек, с перекрывателем боковых цементировочных отверстий 11 и 12 в процессе вращения. Перекрыватель выполнен в виде односторонней пластины 17 с отверстием 18 под трубку 16 и окном 19 в свободной стороне. В трубке 16 по осевой линии выполнено сквозное отверстие 20 круглого сечения, а в средней части трубки 16 в месте установки перекрывателя 17 19 выполнены входные тангенциальные отверстия 21 в отверстие 20, направление которых совпадает с направлением создаваемого вращения входным продольным тангенциальным каналом 10. Трубка 16 в карманах 14 заглушек 13 уплотнена резиновыми кольцами 22, а ее отверстие 20 совмещено с диффузорами 15 заглушек 13. Напротив боковых цементировочных отверстий 11 и 12 в муфте 2 выполнено цементировочное отверстие 23, а напротив диффузоров 15 заглушек 13
радиальные отверстия 24, после совмещения которых ниппель 1 фиксируется относительно муфты 2 срезным штифтом 25. Ниже и выше цементировочных 23 и радиальных 24 отверстий ниппель 1 и муфта 2 разъединителя уплотнены кольцами 26. В свободных проемах от боковых цементировочных отверстий 11 и 12 и цилиндрической полости 9 в ниппеле 1 выполнены продольные циркуляционные каналы 27. Сверху к ниппелю 1 присоединена несущая колонна 28 (бурильная колонна).

Устройство для обратного цементирования потайной колонны работает следующим образом.

В таком виде, как это показано на фиг. 1, потайная колонна 8 посредством устройства спускается на несущей колонне 28 в скважину. Уплотнительные элементы 6 герметизируют кольцевое пространство между потайной 8 и предыдущей 29 обсадными колоннами. После спуска потайной колонны 8 к бурильной колонне 28 подсоединяют цементировочные агрегаты, которыми закачивают тампонажный раствор. Последний через входной тангенциальный канал 10 поступает в цилиндрическую полость 9, где приобретает вращательное движение. Вращающий поток раствора увлекает за собой пластину 17. При вращении односторонней пластины 17 торцовой ее частью периодически перекрывается то одно, то другое боковое цементировочное отверстие 11 и 12 и входной тангенциальный канал 10, что генерирует в прокачиваемом растворе импульсы давления низкой частоты, но из-за большой амплитуды, распространяющееся на десятки и сотни метров ниже устройства, в результате чего повышается степень отмыва предыдущей 29 и потайной 8 обсадных колонн от глинистого раствора, что повысит адгезию цементного камня в контактных зонах, и увеличивается степень вытеснения бурового раствора тампонажным, возможно даже ниже башмака предыдущей обсадной колонны 29. Наличие двух боковых цементировочных отверстий 11 и 12 обеспечивает доведение технологического процесса цементирования до конца даже в случае подклинки перекрывателя 17 19 напротив одного из этих отверстий 11 и 12. Выполнение же одного цементировочного бокового отверстия 12 тангенциальным позволяет снизит возмущение вращающегося потока внутри цилиндрической полости 9 при выходе раствора из нее, тем самым уменьшить гидравлические сопротивления.

Кроме того, при совмещении окна 19 с одним из тангенциальных отверстий 21 в трубке 16 часть цементного раствора поступает без снижения скорости вращения на входе в отверстие 20, где приобретает ускоренное вращательно-поступательное движение в обе стороны. В осевой зоне отверстия 20 образуется область кавитационного разряжения с парогазовой фазой, в которой происходит расщепление частиц цемента. В диффузорах 15 (в области повышенного давления) при выходе из вихревой полости 20 происходит схлопывание кавитационных пузырьков, в результате чего генерируется акустическое поле ультразвуковой частоты, также на несколько метров, распространяющееся вниз по ходу течения раствора, а также распространяющееся по металлу потайной 8 и предыдущей 29 обсадных колонн. Открытие одного из тангенциальных отверстий 21 в момент закрытия одного из боковых цементировочных отверстий 11 и 12 (фиг. 4), т. е. в момент скачка давления в цилиндрической полости 9, позволяет усилить вихрь в отверстии 20 трубки 16, а значит увеличить амплитуду высокочастотных импульсов. В случае же, если произойдет подклинка пластины 17 напротив какого-либо из боковых отверстий 11 и 12, это не приведет к излишне высокому росту давления продавки и существенно не ухудшит эксплуатационные характеристики устройства по генерированию вибраций. При периодическом чередовании виброволновых полей низкой и высокой частоты происходит эффективное удаление пленок новообразований с поверхности частиц цемента, увеличение центров кристаллизации, что в последующем при твердении цемента ускорит процесс и улучшит качество камня, в частности повысит его прочность и снизит проницаемость.

В процессе обратного продвижения тампонажного раствора в затрубном пространстве потайной колонны 8, вытесняемый буровой раствор перетекает через отверстие в башмаке внутрь потайной колонны 8, откуда через циркуляционные продольные каналы 27 ниппеля 1 направляется в затрубное пространство бурильной колонны 28. По окончании цементирования продавочная пробка садится на верхний торец ниппеля 1 (не показано). Скважину оставляют на ожидание затвердения цемента (ОЗЦ), после чего поворачивают вправо бурильную колонну, при этом срезается штифт 25. Затем после отворота бурильную колонну 28 с ниппелем 1 поднимают на поверхность.

Предлагаемое устройство для обратного цементирования потайной колонны при обеспечении виброобработки тампонажного раствора широким спектром частот позволяет существенно повысить качество цементирования, вместе с тем имеет предельно упрощенную легко изготовимую конструкцию надежную в работе. ЫЫЫ2

Использование: в горной промышленности, в устройствах для крепления и цементирования скважин. Обеспечивает повышение степени активации тампонажного раствора и повышения эффективности вибровоздействия импульсами давления в прокачиваемом растворе. Сущность изобретения: устройство включает разъединитель с муфтой и ниппелем, выполненные с цементировочными отверстиями. На муфте выше цементировочных отверстий выполнен герметизатор, имеющий уплотнительные элементы. Ниппель выполнен с цилиндрическим каналом, перпендикулярным плоскости цементировочных отверстий. Разъединитель выполнен с дополнительным цементировочным отверстием и тангенциально выходит из цилиндрического канала. На краях канала помещены заглушки, в которые встроена трубка. На ней с возможностью вращения установлен перекрыватель цементировочных отверстий, выполненный в виде односторонней пластины. В торцовой стороне выполнено окно. Трубка выполнена с тангенциальным каналом в средней части. В заглушках выполнены диффузоры. В муфте напротив заглушек выполнены радиальные отверстия. 4 ил.

Устройство для обратного цементирования потайной колонны, включающее разъединитель с муфтой и ниппелем с совмещенными цементировочными отверстиями в них, продольными циркуляционными каналами, закрепленный на муфте выше цементировочных отверстий корпус герметизатора с уплотнительными элементами и направляющей воронкой, отличающееся тем, что ниппель выполнен с цилиндрическим каналом, перпендикулярным плоскости цементировочных отверстий, разъединитель выполнен с дополнительным цементировочным отверстием, тангенциально выходящим из цилиндрического канала, на краях которого помещены заглушки, а внутри цилиндрического канала вдоль осевой линии помещена трубка, встроенная в заглушки, и с возможностью вращения на трубке установлен перекрыватель цементировочных отверстий, выполненный в виде односторонней пластины с окном в торцевой стороне, а трубка выполнена с входным тангенциальным каналом в средней части, направление которого совпадает с направлением входного канала ниппеля в цилиндрический канал, выполненного тангенциально направленным на перекрыватель цементировочных отверстий, при этом в заглушках выполнены диффузоры, совмещенные с осевым отверстием трубки, а в муфте напротив заглушек выполнены дополнительные радиальные отверстия.