ПЕРЕДВИЖНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ЦЕМЕНТИРОВАНИЯ НЕФТЯНЫХ ИЛИ ГАЗОВЫХ СКВАЖИН Российский патент 2009 года по МПК B28C5/00 E21B33/13 

Заявляемое изобретение относится к области нефтегазодобычи, а конкретно к технологическому оборудованию, предназначенному для цементирования нефтяных или газовых скважин.

Известна машина для цементирования CPT-Y4 фирмы Halliburton, состоящая из размещенных на одной мобильной базе блоков, включая насосный блок, содержащий две силовые установки, соединенные посредством трансмиссии с двумя трехплунжерными (триплексными) насосами, мерный бак объемом 3,2 м³, коллекторы низкого и высокого давления, емкость для смешивания приготавливаемых растворов объемом 0,95 м³, оборудованную смесителем, смешивающий (водоподающий) и циркуляционный (рециркуляционный) центробежные насосы, обвязанные системой трубопроводов, и систему управления и сбора информации (Руководство для пользователя «Комплекс для цементирования CPT-Y4», фирма Halliburton, рус., 1996).

Указанная машина для цементирования имеет габариты: общая длина 10,92 м, общая ширина 2,78 м, общая высота 4,10 м, превышающие нормы на габариты, установленные европейскими и российскими требованиями по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом, которые для автотранспорта составляют: общая длина 12 м, общая ширина 2,5 м, общая высота 4 м («Инструкция по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом по дорогам РФ», см. п.п.: 3.1, 3.2, 3.3). Кроме того, указанная машина для цементирования имеет небольшой объем емкостей для приготовления растворов, поскольку не предусматривается буферный объем приготовленного раствора, который позволил бы обеспечить процесс откачки готового раствора при возникновении вынужденных задержек в процессе приготовлении раствора.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Агрегат по цементированию скважин» (патент RU №33972 на полезную модель, Е21В 33/13), 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.

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.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании передвижной установки для цементирования нефтяных или газовых скважин, базирующейся на одной мобильной базе, габариты которой меньше нормативных габаритов, установленных в «Инструкции по перевозке крупногабаритных и тяжеловесных грузов автомобильным транспортом по дорогам РФ», при этом установка должна включать технологическое оборудование, которое обеспечивает непрерывное приготовление раствора, имеющего достаточную степень осреднения.

Поставленная задача решается за счет новой компоновки блоков передвижной установки, включающей 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, а также за счет усовершенствования блока приготовления тампонажных растворов и блока осреднения.

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.

Уменьшить габариты установки также позволяет размещение над установленными на раме автомобильного шасси карданными валами мерного бака для воды и технологических растворов, выполненного с двумя отсеками общим объемом 5 м³, 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 ручном, полуавтоматическом и автоматическом режимах.

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 объемом 1,3 м³, на верхнюю часть которой установлены смеситель для непрерывного приготовления раствора и перемешиватель.

Блок осреднения включает осреднительную емкость большого объема (2 м³), 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.

Выполнение заодно смесительной и осреднительной емкостей позволяет сократить площадь их размещения.

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, что позволяет при транспортировке установки уменьшить ее габариты по высоте (транспортное положение смесителя) и позволяет провести промывку смесителя после эксплуатации.

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.

Новыми по отношению к наиболее близкому аналогу в заявляемом изобретении являются следующие признаки:

- применение в качестве силовых установок дизельных установок, размещенных на раме автомобильного шасси, которые с помощью карданных валов связаны с трехплунжерными насосами,

- установка трехплунжерных насосов на раме автомобильного шасси поперек рамы,

- размещение в задней части рамы автомобильного шасси водоподающего насоса и рециркуляционного насоса, имеющих гидроприводы, запитываемые от гидросистемы передвижной установки, давление рабочего тела в которой создается насосом гидросистемы,

- размещение над водоподающим и рециркуляционным насосами смесительной емкости, входящей в блок приготовления тампонажных растворов и осреднительной емкости, входящей в блок осреднения,

- оборудование смесительной емкости в ее верхней части смесителем и перемешивателем,

- выполнение смесительной емкости блока приготовления тампонажных растворов заодно с осреднительной емкостью блока осреднения за счет выполнения между ними одной общей стенки, которая со стороны донной части оборудована затвором и имеет высоту меньше высоты других стенок емкостей,

- выполнение в донной части смесительной емкости связи с патрубком рециркуляции, который через рециркуляционный насос связан с узлом рециркуляции в смесителе,

- выполнение в донной части осреднительной емкости связи с патрубком отвода готового цементного раствора,

- расположение площадки оператора с размещенным на ней блоком управления над трехплунжерными насосами,

- размещение над карданными валами мерных баков.

Указанная совокупность признаков позволяет обеспечить размещение технологического оборудования, позволяющего осуществлять процесс цементирования скважин растворами высокой степени осреднения и обеспечивать буферный объем приготавливаемого раствора в габаритах, установленных европейскими и российскими требованиями для автомобильного транспорта, перевозящего крупногабаритные и тяжеловесные грузы.

Аналогичная совокупность признаков для достижения поставленной задачи не выявлена в существующем уровне техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Возможность осуществления изобретения подтверждается конкретным примером, проиллюстрированным чертежами.

На фиг.1 показан вид сбоку на передвижную установку для цементирования нефтяных или газовых скважин.

На фиг.2 показан вид сверху на передвижную установку в том виде, как она показана на фиг.1.

На фиг.3 показан вид сверху, а на фиг.4 - вид сбоку смесительной и осреднительной емкостей.

На фиг.5 показан смеситель.

На фиг.6 представлен фрагментарно вид сбоку, а на фиг.7 - вид сверху на узел, включающий манифольд высокого давления, трехплунжерные насосы, смесительную и осреднительную емкости.

Передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин монтируется на базе автомобильного шасси 1, имеющего дизельные силовые установки 2 и 3, размещенные в передней части автомобильного шасси 1, которые с помощью карданных валов (на чертежах не показаны) связаны с трехплунжерными насосами 4 и 5, установленными на раме 6.

За дизельными силовыми 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, которые в верхней части оборудованы двумя водоподающими линиями 8, соединенными с водоподающим насосом (не показан).

В задней части автомобильного шасси 1 размещены совмещенные блок приготовления тампонажных растворов и блок осреднения, которые включают выполненные заодно смесительную 9 и осреднительную 10 емкости большого размера, имеющие общую стенку 11, высота которой меньше высоты других стенок смесительной 9 и осреднительной 10 емкостей, а со стороны донной части емкостей оборудована затвором 12 (фиг.3 и 4).

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 отверстие, через которое она связана с патрубком рециркуляции 17, соединенным через рециркуляционный насос 18 с узлом рециркуляции смесителя 13.

Смеситель 13 (фиг.5) включает расположенные последовательно по вертикальной оси и соединенные в одно целое узел подачи сухого цемента, включающий затвор поворотный 19, маховик 20 и поворотный гидродвигатель 21 (соединение смесителя 13 с линией пневмоподачи цемента от внешнего накопителя цемента не показано); регулируемую подачу воды в коллектор, включающую патрубок 22 и диск клапанный 23, рукоятку 24 и поворотный гидродвигатель 25, узел рециркуляции, включающий патрубки 26 и рециркуляционные линии 27. Снизу установлены рассекатель 28 и резиновая юбка 29.

Осреднительная емкость 10 в верхней части оборудована гидромеханическим перемешивателем 30 с рабочим валом 31, на котором размещена лопастная насадка 32, при этом рабочий вал 31 в средней части снабжен дополнительными лопастями 33. В донной части осреднительная емкость 10 снабжена патрубком отвода готового цементного раствора (не показана).

Водоподающий насос (не показан) и рециркуляционный насос 18 установлены под смесительной 9 и осреднительной 10 емкостями и имеют гидроприводы, запитываемые от гидросистемы установки.

Блок управления включает площадку оператора 34, оборудованную системой контроля и управления 35.

Для обеспечения функционирования блоков передвижная установка снабжена системой трубопроводов, включающей манифольд высокого давления, манифольд низкого давления, манифольд подвода воды и манифольд внешнего подвода жидкостей.

Манифольд высокого давления (фиг.6 и 7) включает всасывающие трубы 36 плунжерных насосов 4 и 5, соединенные отводами через затворы поворотные 37 с донными клапанами 38 мерного бака 7. Сброс с трехплунжерных насосов 4 и 5 выведен в мерный бак 7 или постороннюю емкость (не показана). На сбросовых линиях установлены предохранительные клапаны 39 и пробковые краны 40.

Нагнетательные линии трехплунжерных насосов 4 и 5 выведены в сторону тягово-сцепного устройства автомобильного шасси 1. На нагнетательных линиях установлены пробковые краны 41, датчики давления 42, клапанные коробки 43.

Конструкция смесителя 13 предусматривает его промывку после эксплуатации, а также перевод его в транспортное положение, для чего узел подачи сухого цемента и коллектор для подачи воды сопряжены между собой посредством быстроразъемного соединения 44.

Манифольд низкого давления связывает осреднительную емкость 10 и мерный бак 7 с трехплунжерными насосами 4 и 5, рециркуляционным 18 и водоподающим насосами. Манифольд низкого давления графическими материалами не проиллюстрирован, поскольку его конструкция достаточна проста.

Манифольд низкого давления включает центральный трубопровод с крестовиной и отводами, при этом крестовина через затворы соединяется с всасывающими коллекторами трехплунжерных насосов 4 и 5 и имеет патрубки с затворами для подключения внешних источников технологических жидкостей; трубопровод, связывающий крестовину центрального трубопровода с двумя отсеками мерного бака 7 через тройник и затворы; трубопровод, связывающий крестовину центрального трубопровода с осреднительной емкостью 10 через затворы; трубопровод с затворами для подвода воды от внешних источников к всасывающему патрубку водоподающего насоса, трубопровод с затворами, связывающий смесительную емкость 9 с всасывающим патрубком рециркуляционного насоса 18, имеющий всасывающий патрубок с затвором для подвода технологических жидкостей от внешних источников, трубопровод с затворами, связывающий нагнетательный патрубок рециркуляционного насоса 18 со смесителем 13 и через тройник - с трубопроводом, ведущим от осреднительной емкости 10 к крестовине центрального трубопровода для случая, когда водоподающий насос выполняет подпорные функции при нагнетании цементного раствора в скважину, а также трубопровод, связывающий через затворы всасывающие патрубки водоподающего насоса и рециркуляционного насоса 18 с отсеками мерного бака 7 через тройник и затворы.

Манифольд подвода воды графическими материалами не проиллюстрирован. Он связывает нагнетательный патрубок водоподающего насоса через тройник, фильтр и затвор с двумя водоподающими линиями 8 мерного бака 7 и выполнен с затворами и пробковым краном высокого давления. Имеется также манифольд внешнего подвода жидкостей, который графическими материалами также не проиллюстрирован ввиду тривиального решения.

Работа передвижной установки осуществляется следующим образом.

Для приготовления цементного раствора сухой цемент от линии пневмоподачи направляется по трубопроводу через затвор поворотный 19 в смеситель 13, объем подачи регулируется либо вручную маховиком 20, либо автоматически с помощью поворотного гидродвигателя 21.

Вода от водоподающего насоса поступает в патрубок 22 смесителя 13. Для регулировки подачи воды служит диск клапанный 23. Расход воды регулируется вручную рукояткой 24 или с помощью поворотного гидродвигателя 25. В коллекторе смесителя 13 цемент с водой образуют водоцементную смесь, к которой дополнительно через патрубки 26 по рециркуляционным линиям 27 от рециркуляционного насоса 18 подводится рециркуляционный раствор из смесительной емкости 9.

От распыления цемента и разбрызгивания раствора при работе смесителя 13 предохраняет резиновая юбка 29.

Далее подготовленная смесь разбивается на рассекателе 28 и поступает в смесительную емкость 9.

В смесительной емкости 9 цементный раствор перемешивается гидромеханическим перемешивателем 14, на рабочем валу 15 которого размещена лопастная насадка 16.

Неоднородный более тяжелый раствор опускается в донную часть смесительной емкости 9, откуда через патрубок рециркуляции 17 направляется по рециркуляционным линиям 27 в коллектор смесителя 13, а однородный более легкий раствор переливается через общую стенку 11 и наполняет осреднительную емкость 10, где продолжает перемешиваться перемешивателем 30 по всей высоте осреднительной емкости 10 за счет расположения лопастей 33 в средней части рабочего вала 31.

Из осреднительной емкости 10 однородный цементный раствор через патрубок отвода готового цементного раствора направляется в гидравлические части трехплунжерных насосов 4 и 5, которыми он закачивается в нефтяную или газовую скважину.

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.

Кроме описанного выше примера конкретного выполнения возможны иные, несколько отличные варианты выполнения передвижной установки, ее отдельных деталей и узлов, соответствующие притязаниям, изложенным в формуле изобретения.

Описание конкретного выполнения передвижной установки для цементирования нефтяных или газовых скважин позволяет доказать соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности «промышленная применимость».

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, а конкретно к технологическому оборудованию, предназначенному для цементирования нефтяных или газовых скважин. Состоит из размещенных на раме автомобильного шасси блоков, соединенных системой трубопроводов. Насосный блок содержит дизельные установки автомобиля и два трехплунжерных насоса, соединенные с помощью карданных валов. В задней части автомобильного шасси размещены водоподающий насос и рециркуляционный насос, запитываемые от гидросистемы передвижной установки, над которыми установлены совмещенные блок приготовления тампонажных растворов и блок осреднения. Первый включает смесительную емкость, а второй - осреднительную емкость. Причем смесительная емкость выполнена заодно с осреднительной емкостью за счет выполнения между ними общей стенки. Смесительная емкость в донной части связана с патрубком рециркуляции, который через рециркуляционный насос связан с узлом рециркуляции в смесителе, а осреднительная емкость в донной части выполнена с патрубком отвода готового цементного раствора. Позволяет разместить на одной мобильной базе необходимое технологическое оборудование, которое обеспечивает непрерывное приготовление раствора, имеющего достаточную степень осреднения. А также увеличивает степень компактности размещения блоков установки и позволяет достичь уменьшения ее габаритов. 2 з.п ф-лы, 7 ил.

1. Передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин, состоящая из размещенных на одной мобильной базе блоков, включая насосный блок, содержащий силовые установки, соединенные с трехплунжерными насосами, блок приема и распределения технологических жидкостей, содержащий мерные баки, оборудованные водоподающими линиями, блок приготовления тампонажных растворов, содержащий водоподающий насос, соединенный также с водоподающими линиями мерных баков, блок осреднения, содержащий осреднительную емкость, оборудованную перемешивателем, узел рециркуляции, включающий рециркуляционный насос, а также блок управления, включающий площадку оператора, оборудованную системой контроля и управления, обвязанных трубопроводами, которые оборудованы запорной арматурой, отличающаяся тем, что в качестве силовых установок использованы дизельные установки, которые с помощью размещенных на раме автомобильного шасси карданных валов связаны с размещенными на раме поперек трехплунжерными насосами, при этом на раме также размещены водоподающий и рециркуляционный насосы, имеющие гидроприводы, запитываемые от гидросистемы передвижной установки, и трубопроводы, а над узлами, размещенными на раме, установлены блок приема и распределения технологических жидкостей, блок управления, осреднительная емкость, оборудованная перемешивателем, и смесительная емкость, оборудованная расположенным в ее верхней части смесителем, включающим узел подачи сухого цемента, узел коллектора для регулируемой подачи жидкостей и узел рециркуляции, и перемешивателем, при этом смесительная емкость выполнена заодно с осреднительной емкостью за счет выполнения между ними общей стенки, которая со стороны донной части емкостей оборудована затвором и имеет высоту меньше высоты других стенок емкостей, смесительная емкость связана с патрубком рециркуляции, который через рециркуляционный насос связан с узлом рециркуляции в смесителе, а осреднительная емкость выполнена с патрубком отвода готового цементного раствора.

2. Передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин по п.1, отличающаяся тем, что выполненные заодно осреднительная и смесительная емкости размещены над водоподающим и рециркуляционными насосами, блок управления размещен над трехплунжерными насосами, а блок приема технологических жидкостей размещен над карданными валами.

3. Передвижная установка для цементирования нефтяных или газовых скважин по п.1, отличающаяся тем, что смеситель выполнен с разъемным соединением между узлом подачи сухого цемента и коллектором, например, с разъемным соединением в виде стягивающей резьбовой втулки и шарнира.