RU2065924C1

RU2065924C1 - Device for cementing holes

Info

Publication number: RU2065924C1
Application number: RU93049424A
Authority: RU
Inventors: Николай Александрович Петров
Original assignee: Николай Александрович Петров
Priority date: 1993-10-27
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 1996-08-27

Abstract

FIELD: mining industry. SUBSTANCE: in stabilization and cementation of drilled holes high degree of activation of cement slurry is achieved by subjecting it to pressure pulsing, using device which has disconnector with sleeve and nipple provided with cementing ports. Located on sleeve above cementing ports is hermetizing unit with sealing components. Nipple has cylindrical passage which is perpendicular to plane of cementing ports. Disconnector has additional cementing port and tangentially protrudes from cylindrical passage. Stoppers are provided in passage ends and pipe is built in stoppers. Mounted on pipe with possibility for rotation is cementing port shut-off made in the form of strip with opening. Pipe has tangential passage in middle part, and diffusers are seated in stoppers. Radial holes are made in sleeve against stoppers. EFFECT: high efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для крепления и цементирования скважин. The invention relates to the mining industry, in particular to devices for fastening and cementing wells.

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.A device is known for reverse cementing of a countersunk column, including a supporting column, a disconnector with a sleeve and a nipple, made in the form of a hydraulic vibrator, combined cementing holes in a sleeve and a nipple of a disconnector, longitudinal circulation channels in a nipple placed on the sleeve above the cementing holes, the sealant body and sealant elements with funnel guide [1]
The disadvantage of this device is the complex design of the nipple that generates in the pumped solution only low-frequency pressure pulses, and requiring a downhole hydraulic motor. A large number of rotating elements of an elongated structure not only complicates the manufacture, but also reduces the reliability of work in cement mortar. A dispersant placed in combined cementing holes does not activate cement slurry sufficiently.

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.There is also known a device for reverse cementing a countersunk column, including a nipple and a disconnector sleeve with combined side cementing holes, longitudinal nipple circulation channels mounted on a sleeve above the cement holes, a sealant body with an end stop, a guide funnel and sealing elements located between them outside the sealant body, in the nipple is a tube with tangential inlets in the vortex chamber, the inlet longitudinal channel in a cylindrical th cavity of the pin plug mounted in a cylindrical cavity [2]
The disadvantage of this device is the complexity of the nipple in the form of a vortex emitter with a curved shape of the longitudinal channel. In addition, the cement slurry passing through the vortex emitter and Venturi tubes is well activated in the cavitation field of the vortex chambers, however, the ultrasonic acoustic fields generated by them have a small propagation distance in the fluid, which reduces the distance of the effective displacement of the drilling fluid by grouting, compared to low-frequency pulses pressure.

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. The purpose of the invention is the simultaneous increase in the degree of activation of grouting mortar with an increase in the range of vibration due to the generation of both low-frequency and high-frequency pressure pulses in the pumped solution.

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.The goal is achieved in that in the apparatus for reverse cementing a countersunk column, the cylindrical cavity of the nipple is made in a horizontal plane at the level of the lateral cementing hole, and the inlet longitudinal channel is made tangentially directed in the opposite side from the lateral cementing hole, and an additional lateral cementing hole is made in the nipple below the main one tangentially emerging from the cylindrical cavity, while the cylindrical cavity is provided with an additional plug eye, and inside the cylindrical cavity along the axial line there is a tube built into the plugs and rotatable on the tube
an overlap of the side cementing holes, made in the form of a single-sided plate with a window on the free side, and the swirl chamber of the tube is made in the form of a through hole of circular cross section, and the tangential inlet holes are made in the middle of the tube in the direction coinciding with the direction of the tangential channel, while in the plugs diffusers are made, combined with the tube hole, and additional radial holes are made in the coupling opposite the plugs.

Совокупность предлагаемых признаков устройства не выявлена в предшествующей технике по всем видам общедоступных сведений, поэтому техническое решение является новым. The totality of the proposed features of the device is not identified in the prior art for all types of publicly available information, therefore, the technical solution is new.

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). The device is significantly simplified, as compared to the analogue [1] a downhole hydraulic motor is excluded. Its functions are performed by the nipple inlet channel tangentially directed into the cylindrical cavity. The rotating mass of the overlap in comparison with the spool in the analog is significantly reduced. The tube simultaneously serves as the axis of rotation for the overlap and generator of cavitation and ultrasonic fields. The device also generates low-frequency pulses, which do not drown out the high-frequency pulses, because when the plate with the window rotates, they are generated alternately. The tube with a circular hole, rather than with a confuser, a cylindrical section and a diffuser, as in the prototype, has been significantly simplified [2]. The device allows guaranteed completion of the cementing process with vibration exposure even in the case of a ceiling overlap opposite one of the side cementing holes. The device does not require the installation of a special “stop ring”, since its function is performed by the upper end surface of the nipple. The plugs with diffusers not only overlap the cylindrical cavity, but are also part of the high-frequency pressure pulse generator (extension of the tube).

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. As you can see, many parts of the device perform additional functions, the device acquires additional super-total properties, all this due to the special design and location of its elements, which for experts does not explicitly follow from the prior art, therefore, the technical solution has an inventive step.

Устройство может найти широкое применение в нефтегазовой промышленности и геологоразведке при креплении и цементировании многоколонных скважин. The device can be widely used in the oil and gas industry and exploration for the attachment and cementing of multi-column wells.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует всем требованиям, предъявляемым к изобретениям, для предоставления правовой охраны. Thus, the proposed device meets all the requirements for inventions, to provide legal protection.

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. In FIG. 1 shows a General view of the device in section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1; in FIG. 3 is an enlarged view of B in the cylindrical cavity in FIG. 1; in FIG. 4 operation of the device on an enlarged scale.

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).The device for reverse cementing of a countersunk column consists of a nipple 1 and a clutch 2 of a disconnector connected by a left-hand thread 3. On top of the clutch 2 is a casing 4 of a sealant with a lower end protrusion 5. Outside of the casing 4, sealing elements 6 are placed, supported by an upper funnel 7. The bottom of the sleeve 2 is connected to a countersunk column 8. In the middle part of the nipple 1 and in the horizontal plane there is a cylindrical cavity 9, in the middle part of which a tangential inlet channel 10 is made in the longitudinal plane, and in Counterface him half cylindrical cavity 9 of the pin 1 is provided with two output cementing lateral holes 11 and 12, the bottom 12 of which is also tangential. On each side, caps 13 are screwed into the cylindrical cavity 9 with pockets 14 on the inside and diffusers 15 on the outside. Inside the cylindrical cavity 9, a tube 16 is placed, which is integrated in the pockets 14 of the plugs, with an overlap of the side cementing holes 11 and 12 during rotation. The overlap is made in the form of a single-sided plate 17 with an opening 18 under the tube 16 and a window 19 in the free side. A through hole 20 of circular cross section is made in the tube 16 along the axial line, and in the middle part of the tube 16 at the place of installation of the overlap 17 19 there are made tangential inlet holes 21 into the hole 20, the direction of which coincides with the direction of rotation created by the input longitudinal tangential channel 10. Tube 16 the pockets 14 of the plugs 13 are sealed with rubber rings 22, and its hole 20 is combined with the diffusers 15 of the plugs 13. Opposite the side cementing holes 11 and 12 in the coupling 2 there is a cementing hole 23, and opposite the diff Fusors 15 End Caps 13
radial holes 24, after combining which the nipple 1 is fixed relative to the sleeve 2 with a shear pin 25. Below and above the cementing 23 and the radial 24 holes, the nipple 1 and the disconnector sleeve 2 are sealed with rings 26. In the free openings from the side cementing holes 11 and 12 and the cylindrical cavity 9 longitudinal circulating channels 27 are made in nipple 1. On top of the nipple 1 is a support string 28 (drill string).

Устройство для обратного цементирования потайной колонны работает следующим образом. A device for reverse cementing a countersunk column operates as follows.

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. As shown in FIG. 1, the countersunk column 8 is lowered by means of the device on the support column 28 into the well. Sealing elements 6 seal the annular space between the countersunk 8 and the previous 29 casing strings. After lowering the countersink 8, cementing units are connected to the drillstring 28 to pump the grout. The latter through the inlet tangential channel 10 enters the cylindrical cavity 9, where it acquires a rotational movement. The rotary flow of the solution entrains the plate 17. During the rotation of the single-sided plate 17, its end part periodically overlaps one or the other side cementing hole 11 and 12 and the inlet tangential channel 10, which generates low-frequency pressure pulses in the pumped solution, but because of large amplitude, extending tens and hundreds of meters below the device, resulting in an increase in the degree of washing out of the previous 29 and countersunk 8 casing strings from the mud, which will increase the adhesion of the cement stone in contact zones, and the degree of displacement of the drilling fluid by cementing, possibly even lower than the shoe of the previous casing string 29, increases. The presence of two lateral cementing holes 11 and 12 ensures that the cementing process is brought to an end even in the case of a shutter 17 19 against one of these holes 11 and 12. The execution of one cementing side hole 12 tangential allows you to reduce the perturbation of the rotating flow inside the cylindrical cavity 9 when the solution exits from it, those m most reduce hydraulic resistance.

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. In addition, when combining the window 19 with one of the tangential holes 21 in the tube 16, part of the cement flows without decreasing the rotation speed at the entrance to the hole 20, where it acquires accelerated rotational-translational movement in both directions. In the axial zone of the hole 20, a cavitational rarefaction region is formed with a vapor-gas phase in which the splitting of cement particles occurs. In the diffusers 15 (in the high-pressure region), when the vortex cavity 20 exits, the cavitation bubbles collapse, as a result of which an ultrasonic frequency acoustic field is generated, also by several meters, propagating downstream of the solution and also propagating along the secret metal 8 and the previous one 29 casing strings. The opening of one of the tangential holes 21 at the time of closing one of the side cementing holes 11 and 12 (Fig. 4), i.e., at the time of the pressure jump in the cylindrical cavity 9, allows you to strengthen the vortex in the hole 20 of the tube 16, and therefore increase the amplitude of high-frequency pulses. In the event that a plate 17 is pushed against one of the side holes 11 and 12, this will not lead to an excessively high increase in the squeezing pressure and will not significantly impair the performance of the device for generating vibrations. Periodic alternation of low and high frequency vibratory microwave fields results in the effective removal of neoplasm films from the surface of cement particles, an increase in crystallization centers, which subsequently during hardening of cement will accelerate the process and improve the quality of the stone, in particular, increase its strength and reduce permeability.

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. In the process of backward movement of the cement slurry in the annulus of the collar 8, the displaced drilling fluid flows through the hole in the shoe into the collar 8, from where it passes through the circumferential longitudinal channels 27 of the nipple 1 into the annulus of the drill string 28. After cementing, the cork plug sits on the top end face of nipple 1 (not shown). The well is left to wait for cement to harden (OZZ), after which the drill string is turned to the right, and pin 25 is cut off. Then, after the flap, drill string 28 with nipple 1 is lifted to the surface.

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 The proposed device for reverse cementing a countersunk column while providing vibro-treatment of a cement slurry with a wide spectrum of frequencies can significantly improve the quality of cementing, but at the same time it has an extremely simplified, easily fabricated design that is reliable in operation. YYY2

Claims

A device for reverse cementing of a countersunk column, including a disconnector with a coupling and a nipple with combined cementing holes in them, longitudinal circulation channels, mounted on the coupling above the cementing holes, the sealant body with sealing elements and a guiding funnel, characterized in that the nipple is made with a cylindrical channel, perpendicular the plane of the cementing holes, the disconnector is made with an additional cementing hole tangentially emerging h of a cylindrical channel, on the edges of which there are plugs, and inside the cylindrical channel along the axial line there is a tube built into the plugs, and with the possibility of rotation on the tube there is a cementing hole overlap made in the form of a one-sided plate with a window on the end side, and the tube is made with input tangential channel in the middle part, the direction of which coincides with the direction of the input channel of the nipple into the cylindrical channel, made tangentially directed to the ceiling tirovochnyh openings, thus in caps made diffusers aligned with the axial bore of the tube and in the sleeve opposite the end caps are made more radial openings.