гидродиспергатор для буровых и цементных растворов

Формула изобретения

Гидродиспергатор для буровых и цементных растворов, включающий полый двухступенчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, концентрично и с зазором размещенный в большей ступени корпуса стакан, донной частью обращенный к выходному отверстию меньшей ступени корпуса и с наружными и внутренними присоединительными резьбами со стороны его открытого концами насадки, установленные в боковых отверстиях стакана, выполненных в диаметрально противоположных направлениях, оси которых перпендикулярны центральной оси корпуса, отличающийся тем, что выходное отверстие меньшей ступени корпуса снабжено монтируемой на резьбе насадкой, при этом дно стакана с наружной стороны снабжено износостойкой вставкой-экраном, установленным напротив насадки корпуса, причем напротив боковых насадок стакана в стенках корпуса большей ступени выполнены технологические отверстия, герметично закрываемые пробками.

Описание изобретения к патенту

Предложение относится к области строительства нефтяных и газовых скважин, а именно к устройствам для интенсификации растворения химических реагентов в жидкостях, активации лежалых цементов и диспергирования порошкообразных и гранулированных материалов, используемых в буровых и цементных растворах.

Известны механические, вибрационные и ультразвуковые диспергаторы, гидроциклоны, дезинтеграторы [1]. Диспергаторы этих конструкций, как отмечают авторы Горский В.Ф., Жмуркевич Е.И. в журнале «Нефтяная и газовая промышленность», 1983 г., №2, с.23, имеют ряд существенных недостатков. Так, например, применение магнитомеханических и ультразвуковых диспергаторов связано с использованием дорогостоящего оборудования и плохо вписывается в технологическую линию цементирования скважин.

Известен гидродиспергатор цементных растворов класса «струя в струю» [2], содержащий полый корпус, в котором в двух диаметрально противоположных направлениях вмонтированы патрубки с конусоидальными насадками.

Работа гидродиспергатора основана на использовании кинетической энергии турбулентных потоков, выходящих из двух насадок. Вследствие возникающего кавитационного эффекта происходит разрушение скомковавшихся лежалых цементов и гидратных оболочек на частицах цемента.

Этот гидродиспергатор также не лишен недостатков. Известный активатор в силу своих конструктивных особенностей имеет боковой отвод существенно большей длины, что обусловливает сложности при включении гидродиспергатора в систему его использования, а сварочное соединение отвода к корпусу опасно при работе под высокими значениями давления. Кроме того, он металлоемок, а его монтаж в высоконапорную линию не технологичен.

Известен также гидродиспергатор [3], включающий полый двухступенчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, концентрично и с зазором размещенный в большей ступени корпуса стакан, донной частью обращенный к выходному отверстию меньшей ступени корпуса и с наружными и внутренними присоединительными резьбами со стороны его открытого конца и насадки, установленные в боковых отверстиях стакана, выполненных в диаметрально противоположных направлениях, оси которых перпендикулярны к центральной оси корпуса.

Эффект диспергирования этим устройством заключается в следующем.

Две струи жидкости, выходящие из боковых насадок, встречаясь на большой скорости, на центральной оси стакана создают гидравлический экран, который разбивается струей жидкости, выходящей из верхней насадки. При этом происходит диспергирование твердых частиц в жидкости.

Этот гидродиспергатор по технической сущности и достигаемому результату более близок к предлагаемому и может быть использован в качестве прототипа.

Известный гидродиспергатор частично устраняет недостатки вышеприведенных аналогов. Однако и он не лишен недостатков. Так, выполнение наружной поверхности дна стакана куполообразной формы не обеспечивает полноту силы удара диспергируемого раствора, поскольку такая форма не может служить в качестве экрана, раствор его только омывает. Кроме того, истекающий раствор из выходного отверстия корпуса меньшей ступени нуждается в повышении скорости истечения.

Другим недостатком его является также и то, что установка третьей насадки в стенке дна стакана, обеспечивая большую скорость истечения струи раствора, играет и отрицательную роль, ослабляя силу удара двух струй, истекающих из боковых насадок, при их встрече.

Далее, в процессе эксплуатации насадки гидродиспергатора сильно подвергаются износу в агрессивной и абразивной среде, поэтому они часто нуждаются в замене, для чего приходится отвинчивать массивный стакан, что вызывает неудобство в обслуживании.

Задачей настоящего изобретения является создание гидродиспергатора, лишенного вышеперечисленных недостатков присущих прототипу.

Поставленная задача решается гидродиспергатором для буровых и цементных растворов, включающим полый двухступенчатый корпус с присоединительными резьбами на концах, концентрично и с зазором размещенный в большей ступени корпуса стакан, донной частью обращенный к выходному отверстию меньшей ступени корпуса и с наружными и внутренними присоединительными резьбами со стороны его открытого конца и насадки установленные в боковых отверстиях стакана, выполненных в диаметрально противоположных направлениях, оси которых перпендикулярны к центральной оси корпуса.

Новым является то, что выходное отверстие меньшей ступени корпуса снабжено монтируемой на резьбе насадкой, при этом дно стакана с наружной стороны снабжено износостойкой вставкой-экраном, установленным напротив насадки корпуса, причем напротив боковых насадок стакана в стенках корпуса большей ступени выполнены технологические отверстия, герметично закрываемые пробками.

Представленный чертеже поясняет суть изобретения, где изображен общий вид гидродиспергатора в транспортном положении, в продольном разрезе.

Гидродиспергатор содержит полый корпус, выполненный в виде двухступенчатого переходника с меньшей и большей ступенями 1 и 2 соответственно с присоединительными резьбами 3 и 4 на концевых участках упомянутых ступеней. Проходной канал 5 меньшей ступени корпуса снабжен монтируемой на резьбе 6 насадкой 7. Большая ступень 2 корпуса снабжена толстостенным стаканом 8, установленным в ее полости концентрично и с зазором, донной частью 9, обращенным к насадке 7 меньшей ступени 1 корпуса. Дно стакана с наружной стороны снабжено износостойкой вставкой-экраном 10. В боковых стенках стакана 8 выполнены отверстия в диаметрально противоположных направлениях, оси которых перпендикулярны к центральной оси корпуса, в которых установлены износостойкие насадки 11 и 12 одинаковой конструкции из керамического материала с конусоидальными отверстиями 13 и 14. На наружной стенке стакана со стороны его открытого конца выполнена присоединительная резьба 15, с помощью которой он присоединен к большей ступени 2 корпуса, а резьбовая нарезка 16, выполненная на внутренней стенке стакана, предназначена для присоединения к напорной линии насоса (напорная линия насоса не изображена). Напротив насадок 11 и 12 стакана 8 в стенках корпуса большей ступени 2 выполнены технологические отверстия с резьбовыми нарезками под герметично закрываемые пробки 17 и 18.

Для достижения наибольшего эффекта диспергирования расстояние L_опт от выходного отверстия насадки 7 до точки встречи с экраном 10, а также расстояние от выходных отверстий боковых насадок 11 и 12 до центральной оси корпуса выбирают с учетом нижеприведенной зависимости

L_опт=5÷6D _н,

где L_опт - оптимальная длина струи, формирующаяся при работе гидродиспергатора в насадке до встречи с экраном, мм;

D_н - диаметр выходного отверстия насадки, мм.

При таком расстоянии L_опт кинетическая энергия истекающей затопленной струи жидкости из насадок наибольшая, а сила удара ее максимальная.

Гидродиспергатор работает следующим образом.

Его в собранном виде, как это изображено на чертеже, на резьбах 3 и 16 присоединяют к напорной линии цементировочного агрегата или бурового насоса так, чтобы диспергируемая смесь поступала со стороны корпуса с меньшей ступенью 1.

При включении в работу насоса (насос не изображен) смесь с диспергируемым материалом из высоконапорного трубопровода попадает в насадку 7 меньшей ступени 1 корпуса под высоким давлением, в котором энергия давления преобразуется в скоростной напор, т.е. струя жидкости приобретает большую кинетическую энергию. Струя жидкости, выходящая из насадки 7, попадает в полость корпуса большей ступени 2, где происходит гидроудар об износостойкую вставку-экран 10 донной части 9 стакана, при котором осуществляется предварительное диспергирование твердых частиц в смеси. При ударе кинетическая энергия потока смеси частично переходит в тепловую, что способствует нагреванию среды и ускорению процесса диспергирования твердых частиц. Смесь после удара, отражаясь от износостойкой вставки-экрана 10, направляется к стенкам верхней части корпуса, происходит следующий удар, способствующий также дополнительному диспергированию твердых частиц и интенсивному перемешиванию смеси, разрушению коагаляционных агрегатов, частично проскочивших в процессе удара об экран. Далее смесь по кольцевому зазору 19 попадает в конусоидальные отверстия 13 и 14 боковых насадок стакана. При этом две струи, исходящие из указанных насадок, встречаются и ударяются с высокой скоростью на центральной оси стакана 8, при котором происходит полное диспергирование смеси.

Технико-экономическое преимущество предлагаемого гидродиспергатора заключается в следующем.

Он прост по конструкции, технологичен в изготовлении и удобен в эксплуатации, обладая при этом высокой эффективностью. Многократные удары разной разновидности - струя об экран, а также в стенки корпуса и далее струя в струю, обеспечивает ускорение процесса диспергирования твердых частиц и растворение хим. реагентов, а также их перемешивание, без повторения процесса приготовлении не только цементных, но и буровых растворов с использованием глинопорошков, хим. реагентов и утяжелителей.

Использование устройства позволит создавать, поддерживать и восстанавливать оптимальные структурно-механические и фильтрационные свойства бурового раствора в сложных горно-геологических условиях, что в конечном итоге обеспечит повышение технико-экономических показателей бурения или повысит качество цементирования скважин.

Источники информации

1. Книга Булатова А.И., Измайлова Л.Б. и др., «Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин», - М., Недра, 1982 г., 62 с.

2. Книга Булатова А.И., Измайлова Л.Б. и др. «Справочник по креплению нефтяных и газовых скважин», - М., Недра, 1982 г., 62 с.

3. Патент Р.Ф. №2156855 М.кл. 7 Е 21 В 21/06, В 01 F 11/02, опубл. в Б.И. №27 27.09.2000 г. (прототип).