RU2061841C1 - Vibration shoe of a string being cemented - Google Patents

Abstract

FIELD: well drilling. SUBSTANCE: vibration shoe has hollow case. Cylinder with a pocket and horizontal cylindrical cavity is installed in the case. The cavity is overlapped with a disc with pocket. Shaft, toothed wheel and shaft debalance are installed in the pocket. Shaft debalance is made in the form of sleeve with eccentric layered circle. Inlet tangential passage is originated in the cylinder. The passage is used to open case cavity from top to cylinder cavity, and axial outlet passage to outer space. A nozzle is installed in tangential passage. The nozzle is oriented to the wheel towards area of pitch circle of teeth. Eccentric hole is originated in the disc. Lateral hole is originated in the case opposite cylindrical cavity. Vibration shoe generates hydraulic pulsations, lengthwise and crosswise vibrations of casing string and acoustic field being distributed along casing string, as well as activate cement solution. EFFECT: improved cement quality. 6 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для крепления скважин, устанавливаемых внизу обсадных колонн. The invention relates to the mining industry, in particular to devices for fastening wells installed at the bottom of casing strings.

Известен вибробашмак цементируемой колонны, включающий полый корпус, переходный переводник, вал с дебалансом, направляющий корпус с отверстиями. Known vibratory shoe cemented columns, including a hollow body, adapter sub, shaft with unbalance, the guide body with holes.

Недостатком этого вибробашмака является то, что он передает прокачиваемому раствору недостаточно эффективные вибрации. Кроме того, устройство имеет сложную и громоздкую конструкцию, что увеличивает подлежащую разбуриванию массу и усложняет его изготовление из легкоразбуриваемых материалов. Поэтому этот вибробашмак невозможно применять при цементировании, например, кондукторов и промежуточных колонн. The disadvantage of this vibratory shoe is that it transfers insufficiently effective vibrations to the pumped solution. In addition, the device has a complex and cumbersome design, which increases the mass to be drilled and complicates its manufacture from easily drilled materials. Therefore, this vibratory shoe cannot be used for cementing, for example, conductors and intermediate columns.

Известен также вибробашмак цементируемой колонны, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, присоединительной резьбой и предохранительным клапаном, цилиндр из легкоразбуриваемого материала с полостью, входным каналом, сообщающим полость корпуса с полостью цилиндра и выходным осевым каналом, сообщающим полость цилиндра с внешним пространством, зубчатое колесо из легкоразбуриваемого материала на легкоразбуриваемом валу, размещенное в полости, сопло из легкоразбуриваемого материала, помещенное во входном канале и ориентированное в область делительного диаметра зубчатого колеса, и направляющую пробку. Also known is a vibrating shoe of a cemented column, including a hollow body with side openings, a connecting thread and a safety valve, a cylinder of easily drilled material with a cavity, an inlet channel communicating the body cavity with the cylinder cavity and an output axial channel communicating the cylinder cavity with external space, a gear wheel made of easily drilled material on an easily drilled shaft placed in the cavity, a nozzle of easily drilled material placed in the inlet channel and oriented Crown in the area of the pitch diameter of the gear, and the guide tube.

Недостатком вибробашмака является то, что он имеет сложную форму его составляющих, в частности фигурную форму полости, в которой размещены овальные зубчатые колеса. В этом вибраторе объемного действия необходимо наличие минимальных зазоров с поверхностью полости, что, учитывая прокачку через него цементного раствора, увеличивает вероятность подклинки овальных колес о цилиндр. Кроме того, вероятность подклинки увеличивается еще и ввиду абразивного износа зубьев сцепленных колес, что происходит весьма быстро при истечении струи из сопла на колеса, выполненные из легкоразбуриваемого материала, например чугуна или сплавов алюминия. Подклинка овальных колес друг о друга приведет к прекращению генерирования вибраций. К тому же вибробашмак с объемным вибратором не способен генерировать высокоамплитудные импульсы давлений, а значит обладает небольшой дальностью виброобработки по стволу скважины. The disadvantage of the vibratory shoe is that it has a complex shape of its components, in particular a curved cavity shape in which oval gears are placed. In this volumetric vibrator, there must be minimal gaps with the surface of the cavity, which, given the pumping of cement mortar through it, increases the likelihood of the oval wheels getting stuck on the cylinder. In addition, the likelihood of a wedge also increases due to abrasive wear of the teeth of the coupled wheels, which occurs very quickly when the jet expires from the nozzle onto wheels made of easily drilled material, for example cast iron or aluminum alloys. Pulling the oval wheels against each other will stop the generation of vibrations. In addition, a vibratory shoe with a volume vibrator is not able to generate high-amplitude pressure pulses, which means it has a small range of vibration processing along the wellbore.

Сущность изобретения заключается в том, что в вибробашмаке цементируемой колонны цилиндр выполнен с карманом и полостью в виде цилиндрической полости, которая перекрыта диском, имеющим карман и эксцентричное отверстие, а вал зубчатого колеса выполнен с дебалансом в виде втулки с эксцентричным пластинчатым кругом и установлен по оси цилиндрической полости в карманах цилиндра и диска с возможностью открытия-закрытия пластинчатым кругом эксцентричного отверстия, при этом входной канал выполнен тангенциальным по отношению к цилиндрической полости, а боковое отверстие корпуса выполнено со стороны диска по оси цилиндрической полости. The essence of the invention lies in the fact that in the vibratory shoe of the cemented column, the cylinder is made with a pocket and a cavity in the form of a cylindrical cavity, which is overlapped by a disk having a pocket and an eccentric hole, and the gear shaft is made with an unbalance in the form of a sleeve with an eccentric plate circle and mounted axially a cylindrical cavity in the pockets of the cylinder and the disk with the possibility of opening-closing a plate circle of an eccentric hole, while the inlet channel is made tangential with respect to the cylindrical second lumen and the lateral opening of the housing formed by the disc on the cylindrical axis of the cavity.

Технический результат выражается в упрощении конструкции, повышении надежности и эффективности работы. The technical result is expressed in simplifying the design, increasing reliability and operating efficiency.

На фиг. 1 изображен разрез вибробашмака на фиг. 2 показано сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 сечение Г-Г на фиг. 2; на фиг. 5 сечение В-В на фиг.1 в момент перекрытия пластинчатым кругом эксцентричного отверстия диска; на фиг. 6 изображены дебаланс с диском в момент открытия эксцентричного отверстия. In FIG. 1 shows a section through a vibratory shoe in FIG. 2 shows a section AA in FIG. 1; in FIG. 3 section BB in FIG. 1; in FIG. 4 section GG in FIG. 2; in FIG. 5 is a cross-section BB in FIG. 1 at the moment of overlapping with a plate circle of an eccentric hole of the disk; in FIG. 6 shows the imbalance with the disc at the moment of opening the eccentric hole.

Вибробашмак цементируемой колонны состоит из полого корпуса 1 с присоединительными резьбами 2. Внутри корпуса 1 помещен, например чугунный или дюралевый, цилиндр 3, удерживаемый сверху и снизу приварными кольцами 4 и уплотненный резиновыми кольцами 5. В перпендикулярной плоскости оси цилиндра 3 выполнена цилиндрическая полость 6, которая с одной стороны перекрыта легкоразбуриваемым диском 7. В цилиндрической полости 6 размещены, например чугунные, зубчатое колесо 8 с валом 9 и дебаланс вала 9, выполненный в виде втулки 10 с эксцентричным пластинчатым кругом 11. Вал 9 установлен по оси цилиндрической полости 6, причем с одной стороны вал 9 встроен в карман 12 цилиндра 3, а с другой стороны в карман 13 диска 7. Дебаланс 10,11 расположен между зубчатым колесом 8 и диском 7 и связан с валом 9, например зубчатым шлицевым соединением 14, при этом в диске 7 выполнено эксцентричное отверстие 15, а со стороны диска 7 боковое отверстие 16 в корпусе 1 по оси цилиндрической полости 6. Причем эксцентричность отверстия 15 и диаметры отверстий 15,16 подобраны таким образом, чтобы не было прямой струи из отверстия 15 наружу корпуса 1, а размеры пластинчатого круга 11 подобраны с возможностью открытия-закрытия эксцентричного отверстия 15. Диаметр зубчатого колеса 8 несколько меньше цилиндрической полости 6. В месте нахождения колеса 8 в цилиндрической полости 6 выполнен тангенциальный входной продольный канал 17 цилиндра 3, сообщающий полость 6 с полостью корпуса сверху. В тангенциальный канал 17 помещено, например керамическое, сопло 18, уплотненное кольцом 19. При этом ось сопла 18 ориентирована в область делительного диаметра 20 зубчатого колеса 8. В нижней части цилиндра 3 выполнен также выходной осевой канал 21, сообщающий цилиндрическую полость 6 с нижним пространством полого корпуса 1. The vibrating shoe of the cemented column consists of a hollow body 1 with connecting threads 2. Inside the body 1, for example, a cast iron or duralumin cylinder 3 is placed, which is held on top and bottom by welded rings 4 and sealed with rubber rings 5. A cylindrical cavity 6 is made in the perpendicular plane of the axis of the cylinder 3, which is blocked on one side by an easily drilled disk 7. In the cylindrical cavity 6 are placed, for example, cast iron, a gear 8 with a shaft 9 and an unbalance of the shaft 9, made in the form of a sleeve 10 with an eccentric plate in a circle 11. The shaft 9 is mounted on the axis of the cylindrical cavity 6, and on the one hand the shaft 9 is integrated into the pocket 12 of the cylinder 3, and on the other hand into the pocket 13 of the disk 7. Unbalance 10.11 is located between the gear 8 and the disk 7 and connected with a shaft 9, for example a gear splined connection 14, wherein an eccentric hole 15 is made in the disk 7, and a side hole 16 in the housing 1 along the axis of the cylindrical cavity 6 on the disk 7 side. Moreover, the eccentricity of the hole 15 and the diameters of the holes 15,16 are thus selected so that there is no direct jet from the hole 15 I’m already housing 1, and the dimensions of the plate wheel 11 are selected with the possibility of opening and closing the eccentric hole 15. The diameter of the gear wheel 8 is slightly smaller than the cylindrical cavity 6. At the location of the wheel 8 in the cylindrical cavity 6 there is a tangential inlet longitudinal channel 17 of the cylinder 3, communicating cavity 6 with a body cavity on top. For example, a ceramic nozzle 18, sealed by a ring 19, is placed in the tangential channel 17. In this case, the axis of the nozzle 18 is oriented in the region of the pitch diameter 20 of the gear 8. In the lower part of the cylinder 3, an axial output channel 21 is also made, communicating the cylindrical cavity 6 with the lower space hollow body 1.

Выше цилиндра 3 в корпусе 1 установлены предохранительные пробки 22 клапана. Снизу корпус 1 связан с утолщенным патрубком 23, в котором крепится направляющая пробка 24 с отверстиями 25, а сверху корпус 1 связан с муфтой 26 для подсоединения к обсадной колонне. Above the cylinder 3 in the housing 1 is installed a safety plug 22 of the valve. The bottom of the housing 1 is connected with a thickened pipe 23, in which the guide plug 24 is attached with holes 25, and the top of the housing 1 is connected to the sleeve 26 for connection to the casing.

Вибробашмак цементируемой колонны работает следующим образом. Vibrobashmak cemented columns works as follows.

Прокачиваемый по обсадной колонне цементный раствор поступает в сопло 18 тангенциального входного канала 17, и сформированная высоконапорная струя ударяет о зубья колеса 8, в результате чего происходит диспергация частиц цемента и вращение колеса 8. Вращающийся поток раствора в цилиндрической полости 6 смещается в сторону выходного осевого канала 21 и эксцентричного отверстия 15, в результате чего дебаланс пластинчатым кругом 11 прижимается к диску 7. Попеременное открытие-закрытие эксцентричного отверстия 15 дебалансом 10,11 приводит к пульсации давлений в жидкости и поперечной вибрации низа обсадной колонны из-за реактивной силы истечения прерывистого потока из бокового отверстия 16 корпуса 1. The cement slurry pumped through the casing enters the nozzle 18 of the tangential inlet channel 17, and the generated high-pressure jet hits the teeth of the wheel 8, as a result of which the cement particles disperse and the wheel 8 rotates. The rotating flow of the solution in the cylindrical cavity 6 is shifted towards the output axial channel 21 and the eccentric hole 15, as a result of which the unbalance of the plate circle 11 is pressed against the disk 7. The alternate opening and closing of the eccentric hole 15 with the unbalance 10.11 leads to a pulse uu pressure in the liquid and the lateral vibration of the casing to the bottom of the reactive force expiration intermittent flow from the side openings 16 of the housing 1.

В результате одновременного скачка давления и нахождения дебаланса /пластинчатого круга 11/ в нижней части цилиндрической полости 6 происходит также и удлинение обсадной колонны, после чего она сжимается до устойчивого растянутого состояния. Гидравлические импульсы давления распространяются на десятки метров от вибробашмака, что из-за турбулизации потока улучшает в этой зоне кольцевого пространства скважины вытеснение бурового раствора тампонажным и отмыв глинистой корки со стенок скважины. Усиленная продольная и поперечная вибрация низа обсадной колонны способствует лучшему отмыву бурового раствора с наружной поверхности обсадной колонны. Кроме того, улучшению отмыва поверхности обсадной колонны от бурового раствора способствует и то обстоятельство, что при гидроударе прерывистой струи, истекающей из эксцентричного отверстия 15, о внутреннюю поверхность корпуса 1 периодически генерируются акустическое поле, распространяемое по корпусу 1 к муфте 26 и далее по обсадной колонне. При забивке сопла 18 или создании чрезмерно высоких импульсов давления предохранительные пробки 22 выбиваются и через созданные отверстия весь цементный раствор или его часть направляется сразу в кольцевое пространство, в последнем случае вибробашмак продолжает работу, только на пониженных режимах. Из-за большого зазора между стенками цилиндрической полости 6 и зубьями колеса 8, а также ввиду заранее нерегулируемого зазора между эксцентричным пластинчатым кругом 11 и диском 7 вероятности подклинки и остановки работы вибробашмака полностью существенно снижены. As a result of a simultaneous jump in pressure and finding the unbalance / lamellar circle 11 / in the lower part of the cylindrical cavity 6, the casing is also elongated, after which it is compressed to a stable extended state. Hydraulic pressure pulses extend tens of meters from the vibratory shoe, which, due to turbulization of the flow, improves the displacement of the drilling fluid by grouting and washing of the clay cake from the walls of the well in this zone of the annular space of the well. The enhanced longitudinal and transverse vibration of the bottom of the casing contributes to a better washout of the drilling fluid from the outer surface of the casing. In addition, an improvement in the washing of the surface of the casing from the drilling fluid is also facilitated by the fact that when an intermittent jet flows from the eccentric hole 15 against the inner surface of the housing 1, an acoustic field is periodically generated, propagating through the housing 1 to the coupling 26 and further along the casing . When clogging the nozzle 18 or creating excessively high pressure pulses, the safety plugs 22 are knocked out and through the created holes all cement mortar or part of it is sent directly to the annular space, in the latter case, the vibratory shoe continues to work, only in reduced modes. Due to the large gap between the walls of the cylindrical cavity 6 and the teeth of the wheel 8, as well as due to the unregulated gap between the eccentric plate wheel 11 and the disk 7, the likelihood of wedging and stopping the operation of the vibratory shoe is completely reduced.

Таким образом, предлагаемый вибробашмак цементируемой колонны отличается простой и надежной конструкцией легко изготовляемой, причем из разбуриваемых материалов, одновременно обеспечивает высокое качество цементирования обсадной колонны за счет активации всего проходящего цементного раствора, что влечет повышение прочности и снижение проницаемости формирующегося цементного камня, и, в особенности, низа обсадной колонны за счет улучшения сцепления в контактных зонах "обсадная колонна цементный камень горная порода". ЫЫЫ2 ЫЫЫ4 Thus, the proposed vibratory shoe of the cemented string is characterized by a simple and reliable design that is easily fabricated, and from drillable materials, at the same time it provides high quality cementing of the casing due to the activation of the entire passing cement mortar, which leads to increased strength and reduced permeability of the formed cement stone, and, in particular , bottom of the casing due to improved adhesion in the contact zones of the "casing rock cement rock". YYY2 YYY4

Claims (1)

Вибробашмак цементируемой колонны, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, присоединительной резьбой и предохранительным клапаном, цилиндр из легкоразбуриваемого материала с полостью, входным каналом, сообщающим полость корпуса с полостью цилиндра и выходным осевым каналом, сообщающим полость цилиндра с внешним пространством, зубчатое колесо из легкоразбуриваемого материала на легкоразбуриваемом валу, размещенное в полости, сопло из легкоразбуриваемого материала, помещенное во входном канале и ориентированное в область делительного диаметра зубчатого колеса, и направляющую пробку, отличающийся тем, что цилиндр выполнен с карманом и полостью в виде цилиндрической полости, которая перекрыта диском, имеющим карман и эксцентричное отверстие, а вал зубчатого колеса выполнен с дебалансом в виде втулки с эксцентричным пластинчатым кругом и установлен по оси цилиндрической полости в карманах цилиндра и диска с возможностью открытия-закрытия пластинчатым кругом эксцентричного отверстия, при этом входной канал выполнен тангенциальным по отношению к цилиндрической полости, а боковое отверстие корпуса выполнено со стороны диска по оси цилиндрической полости. Vibratory shoe of the cemented column, including a hollow body with side openings, a connecting thread and a safety valve, a cylinder made of easily drilled material with a cavity, an inlet channel communicating the body cavity with the cylinder cavity and an output axial channel communicating the cylinder cavity with external space, a gear wheel made of easily drilled material on an easily drilled shaft, located in the cavity, a nozzle of easily drilled material, placed in the inlet channel and oriented in the region of the diameter of the gear wheel, and a guide plug, characterized in that the cylinder is made with a pocket and a cavity in the form of a cylindrical cavity, which is overlapped by a disk having a pocket and an eccentric hole, and the gear shaft is made with an unbalance in the form of a sleeve with an eccentric plate circle and is installed along the axis of the cylindrical cavity in the pockets of the cylinder and the disk with the possibility of opening and closing the eccentric hole with a plate circle, while the inlet channel is tangential to the cylindrical cavity, and the side opening of the housing is made from the disk side along the axis of the cylindrical cavity.

Images