устройство для закрытия клапанов глубинного пробоотборника

Формула изобретения

Устройство для закрытия клапанов глубинного пробоотборника, состоящее из подвижного штока, узла управления, включающего защелки, подпружиненные пластинчатой пружиной, и узла фиксации, включающего нажимную втулку, фиксаторы, закрепленные в ней, и ограничители их перемещения, отличающееся тем, что дополнительно в средней части подвижного штока выполнены проточки, симметрично расположенные относительно оси устройства и переходящие в нижней части в сквозной паз, а узел управления дополнительно содержит наконечник, жестко закрепленный на подвижном штоке, причем пластинчатая пружина расположена в сквозном пазу подвижного штока, а каждая защелка в верхней части выполнена в виде клинового зацепа и подвижна в горизонтальной плоскости относительно оси устройства, а в нижней части жестко закреплена наконечником, при этом узел фиксации дополнительно содержит направляющую втулку, свободно насаженную на подвижный шток, во внутренней части которой выполнена кольцевая проточка, фиксирующая клиновые зацепы каждой защелки, а в теле направляющей втулки - сквозные продольные симметрично расположенные отверстия под фиксаторы, причем нажимная втулка свободно насажена на подвижный шток с образованием подвижной связи с направляющей втулкой, а ее нижняя внутренняя часть выполнена конусно, ответно посадочному месту защелок, и соединительную втулку, свободно насаженную на подвижный шток в верхней части и жестко закрепленную с направляющей втулкой, причем ее наружная нижняя поверхность выполнена конусно под фиксаторы, а ограничитель перемещения фиксаторов выполнен в виде втулки и жестко насажен на подвижный шток.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к исследованиям скважин, в частности к устройствам для отбора глубинных проб жидкости с растворенным газом.

Анализ существующего уровня показал следующее:

известно устройство для закрытия клапанов глубинного пробоотборника, описанное в авторском свидетельстве 103349 "Глубинный пробоотборник" (см. а. с. 103349 от 16.09.54 г. по кл. Е 21 В 49/02, автор располагает пленкой, где не указана дата публикации), содержащее узел управления, состоящий из клетки пробоотборника, в которой шарнирно укреплена защелка (рычаг) в виде двуплечего рычага Г-образной формы, удерживающая верхний и нижний клапаны, корпуса с четырьмя диаметрально расположенными прорезями, подвижного штока (толкателя), и узел фиксации, состоящий из держателей, выполненных в верхней части подвижного штока, в которых расположены фиксаторы (стержни) и ограничителя их перемещения, в виде кольца из шпагата.

Недостатком известного устройства является следующее: ненадежность конструкции, обусловленная выполнением защелки в виде двуплечего рычага Г-образной формы, шарнирное крепление и несимметричное расположение относительно оси устройства, приводят к неравномерному распределению осевой нагрузки и большей вероятности заклинивания;

в качестве прототипа взято устройство для закрытия клапанов глубинного пробоотборника, состоящее из узла управления, включающего каретку, жестко закрепленную в верхней части подвижного (нажимного) штока, расположенную в ней защелку, смещенную относительно оси устройства, выполненную в виде двуплечего рычага прямолинейной формы, подпружиненную пластинчатой пружиной относительно каретки, и узла фиксации, включающего нажимную втулку с фиксаторами (рычагами), жестко закрепленными в ней и ограничителями их перемещения, расположенными в теле фиксаторов (см. а.с. 1460225 от 04.01.87 г. по кл. Е 21 В 49/08, опубл. в БИ 7, 1989 г.).

Дополнительно, в каретке выполнен осевой канал, в котором размещена нижняя часть иглы, а верхняя взаимодействует с подпружиненным толкателем, на котором жестко закреплена нажимная втулка. В стенке корпуса, на уровне защелки выполнен упор, причем защелка установлена с возможностью взаимодействия с этим упором и иглой.

Недостатком известного устройства является ненадежность конструкции.

Это обусловлено рядом причин:

- выполнение защелки в виде двуплечего рычага прямолинейной формы, взаимодействующего с кареткой и смещенной относительно оси устройства, приводит к неравномерному распределению осевой нагрузки и большей вероятности заклинивания, а при дальнейшем подъеме к последующему смятию фиксаторов;

- сложность настройки нескольких жестких фиксаторов, расположенных по периметру для одновременного взаимодействия при фиксации в стыке труб муфтового соединения, приводит к неравномерным нагрузкам на нажимную втулку и в целом к несрабатыванию устройства;

- многоразовое использование фиксаторов в различных типоразмерах труб невозможно, т.к. фиксаторы жестко закреплены в нажимной втулке, а ограничители перемещения - в теле фиксаторов (для настройки на различный типоразмер труб, необходимо применение фиксаторов различной расчетной длины).

Технический результат заключается в повышении надежности конструкции, ввиду следующих причин:

- стабильности срабатывания устройства, за счет исключения заклинивания и смятия фиксаторов при подъеме пробоотборника;

- увеличения срока службы устройства, за счет многоразового использования фиксаторов в различных типоразмерах труб.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, состоящего из подвижного штока, узла управления, включающего защелки, подпружиненные пластинчатой пружиной и узла фиксации, включающего нажимную втулку, фиксаторы закрепленные в ней и ограничители их перемещения, в котором дополнительно в средней части подвижного штока выполнены проточки, симметрично расположенные относительно оси устройства и переходящие в нижней части в сквозной паз, а узел управления дополнительно содержит наконечник, жестко закрепленный на подвижном штоке, причем пластинчатая пружина расположена в сквозном пазу подвижного штока, а каждая защелка в верхней части выполнена в виде клинового зацепа и подвижна в горизонтальной плоскости относительно оси устройства, а в нижней части жестко закреплена наконечником, при этом узел фиксации дополнительно содержит направляющую втулку, свободно насаженную на подвижный исток, во внутренней части которой выполнена кольцевая проточка, фиксирующая клиновые зацепы каждой защелки, а в теле направляющей втулки - сквозные продольные симметрично расположенные отверстия под фиксаторы, причем нажимная втулка свободно насажена на подвижный шток, с образованием подвижной связи с направляющей втулкой, а ее нижняя внутренняя часть выполнена конусно, ответно посадочному месту защелок, и соединительную втулку, свободно насаженную на подвижный шток в верхней части и жестко закрепленную с направляющей втулкой, причем ее наружная нижняя поверхность выполнена конусно под фиксаторы, а ограничитель перемещения фиксаторов выполнен в виде втулки и жестко насажен на подвижный шток.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно съемное клапанное устройство испытателя пластов, в котором имеется аналогичное выполнение клиновых зацепов в форме цанговых фиксаторов, находящихся в зацеплении с выступом головкой (см. а.с. 1661392 от 29.06.88 г. по кл. Е 21 В 49/00, опубл. в БИ 25, 1991 г.). Известен глубинный пробоотборник, в котором защелки, выполненные в верхней части в виде клиновых зацепов, а в нижней - жестко закрепленные наконечником, аналогично выполнены в верхней части в виде "собачек", а в нижней сжаты тонким резиновым кольцом (см. а.с. 133835 от 28.08.59 г., по кл. Е 21 В 49/00, опубл. в БИ 23, 1960 г.). Известно устройство для испытания пластов с клиновыми зацепами, аналогично выполненными в форме цангового упора, находящегося в зацеплении с кольцевой канавкой на втулке (см. а.с. 1571233 от 04.07.88 г. по кл. Е 21 В 49/00, опубл. в БИ 22, 1990 г.).

На основании вышеуказанного, нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения, кроме выполнения защелок в верхней части в виде клиновых зацепов. Таким образом, последнее не следует явным образом из проанализированного уровня техники, т.е. имеет изобретательский уровень.

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 представлена конструкция устройства в момент удержания клапанов пробоотборника в открытом состоянии;

на фиг.2 представлена конструкция устройства в момент закрытия клапанов пробоотборника.

Заявляемое устройство имеет подвижный шток 1, в средней части которого выполнены две проточки 2, симметрично расположенные относительно оси устройства. Проточки 2 в нижней части переходят в сквозной паз. 3. Узел управления состоит из двух защелок 4, каждая из которых установлена в проточке 2. Защелки 4 подпружинены пластинчатой пружиной 5, расположенной в сквозном пазу 3 подвижного штока 1. Пластинчатая пружина 5 в нижней части закреплена осью 6, одновременно ограничивающей ход защелок 4 в верхнее положение. В верхней части каждая защелка 4 выполнена в виде клинового зацепа и подвижна в горизонтальной плоскости относительно оси устройства. В нижней части защелки 4 жестко закреплены наконечником 7, с внутренней кольцевой проточкой 8 и резьбой для жесткого соединения с подвижным штоком 1. Узел фиксации содержит нажимную втулку 9 свободно насаженную на подвижный шток 1. На верхней внешней поверхности нажимной втулки 9 выполнено шесть симметрично расположенных отверстий 10 для крепления фиксаторов 11. Нижняя внутренняя часть нажимной втулки 9 выполнена конусно, ответно посадочному месту защелок 4. Над нажимной втулкой 9, на подвижном штоке 1 жестко закреплен ограничитель перемещения фиксаторов 12, выполненный в виде втулки. Ограничитель перемещения фиксаторов 12 имеет внутреннюю кольцевую проточку 13 под возвратную пружину 14, обеспечивающую ход подвижному штоку 1 при срабатывании устройства. Выше ограничителя перемещения фиксаторов 12 на подвижный шток 1 свободно насажена направляющая втулка 15. Во внутренней части направляющей втулки 15 выполнена ответная кольцевая проточка 16 под возвратную пружину 14 и кольцевая проточка 17 для фиксации клиновых зацепов каждой защелки 4. В теле направляющей втулки 15 выполнено шесть сквозных продольных симметрично расположенных отверстий 18 под фиксаторы 11, с возможностью образования подвижной связи с нажимной втулкой 9. Соединительная втулка 19 свободно насажена на подвижный шток 1 в верхней части и жестко закреплена с направляющей втулкой 15 посредством резьбового соединения. Наружная нижняя поверхность соединительной втулки 19 выполнена конусно и является направляющей для фиксаторов 11. В верхней части соединительной втулки 19 выполнена резьба для соединения с переходником к клапану пробоотборника.

Устройство имеет следующие габариты:

наружный диаметр, мм - 36

длина при открытых клапанах, мм - 410

длина при закрытых клапанах, мм - 560

масса, кг - ~1,5

Качество заготовок, используемых для изготовления деталей устройства, должно соответствовать:

- нормам химического состава на сталь углеродистую, качественную, конструкционную согласно ГОСТу 1050-88, на сталь легированную конструкционную (ГОСТ 4543-71);

- для навивки пружины проволока из стали пружинистой (ГОСТ 9389-78);

- шероховатость металлических изделий должна соответствовать ГОСТу 2789-73 и техническим требованиям чертежей.

Метрические резьбы должны выполняться по ГОСТу 8724-81 с профилем по ГОСТу 9150-81, основными параметрами по ГОСТу 24705-87 и документами по ГОСТу 16093-81.

Работа устройства

Промысловые испытания проведены на скважине 15 Юбилейной площади. Спуск глубинного пробоотборника в скважину осуществляют лебедкой, монтажной базой для которой служит шасси автомобиля ГАЗ-66. Для спуска устройства используют проволоку марки В-180, диаметром 1,6-2,5 мм. Наружный диаметр узлов заявляемого устройства соответствует диаметру корпуса пробоотборника и составляет 36 мм. Это очень важно, т.к. в снаряженном пробоотборнике не должно быть выступающих жестких узлов, во избежание сцепления его (особенно при подъеме) со стыками труб и возможностью обрыва устройства.

Зарядку устройства проводят на поверхности следующим образом. Посредством резьбового соединения М 30х1,5 соединительную втулку 19 через переходник соединяют с пробоотборником так, чтобы верхний конец подвижного штока 1 упирался в торец штока верхнего клапана пробоотборника (на фиг. не показан), удерживая его в открытом состоянии на время спуска устройства в скважину.

Для этого нажимают на защелки 4 выше наконечника 7, до полного захода верхних подвижных концов, выполненных в виде клинового зацепа в проточки 2 подвижного штока 1. Пластинчатая пружина 5, расположенная в сквозном пазу 3, сжимается. Одновременно нажимную втулку 9 продвигают до упора с неподвижно закрепленным на подвижном штоке 1 ограничителем перемещения фиксаторов 12, при этом внутренняя конусная часть нажимной втулки 9 плотно садится на ответное посадочное место защелок 4. Подвижный шток 1 перемещают в верхнее положение с одновременным сжатием возвратной пружины 14 до момента вхождения клиновых зацепов защелок 4 в зацепление с кольцевой проточкой 17. Пластинчатая пружина 5 разжимается и фиксирует клиновые зацепы защелок 4 на горизонтальной поверхности кольцевой проточки 17. О том, что устройство заряжено, определяют по характерному щелчку. При этом, фиксаторы 11, закрепленные в симметрично расположенных отверстиях 10 нажимной втулки 9, находящейся в подвижной связи с направляющей втулкой 15, проходят через сквозные продольные симметрично расположенные отверстия 18 и раздвигаются направляющей конусной поверхностью соединительной втулки 19 на величину, необходимую для зацепления со стыками насосно-компрессорных труб (НКТ) при подъеме пробоотборника.

Скомпонованное таким образом устройство опускают для отбора пробы на проволоке, посредством специальной головки. При спуске пробоотборника в скважину, фиксаторы 11 не препятствуют движению. По достижении заданной глубины - 3800 м, отбирают пробу (пластовое давление 50 МПа, температура ~ 150^oС, содержание сероводорода 0,5-0,8 мг/л, агрессивной углекислоты 3,5 мг/л, в скважине пластовая вода с газоконденсатом), затем пробоотборник медленно поднимают. При подъеме пробоотборника фиксаторы 11 упираются в межмуфтовый стык НКТ и при дальнейшем натяжении проволоки усилие фиксаторов 11 передается нажимной втулке 9. Нажимная втулка 9 продвигается вниз по подвижному штоку 1 и сдавливает внутренним конусом защелки 4 до тех пор, пока они полностью утапливаясь в проточках 2 подвижного штока 1 не выйдут из зацепления с кольцевой проточкой 17. Подвижный шток 1 под воздействием возвратной пружины 14 перемещается вниз от торца штока верхнего клапана пробоотборника и клапан закрывается. При этом фиксаторы 11, закрепленные в нажимной втулке 9, укладываются вдоль подвижного штока 1, удерживаясь в сквозных продольных отверстиях 18 направляющей втулки 15 в положении, ограничивающем их выход за габариты устройства и не препятствуют подъему на дневную поверхность пробоотборника.

Промысловые испытания показали, что из пятнадцати отобранных проб двенадцать были качественными, три пробы отличались по газовой составляющей не по вине работы предлагаемого устройства, а из-за технической неисправности клапана пробоотборника.

Конструктивное решение выполнения и расположения защелок 4 в устройстве, позволяет обеспечить высокую прочность узла управления и равномерное распределение осевой нагрузки на каждую защелку 4 и тем самым исключить возможность их заклинивания и смятия фиксаторов 11, при дальнейшем подъеме пробоотборника. Выполнение внутренней части нажимной втулки 9 конусно-ответно посадочному месту на защелках 4, позволило снизить усилие для закрытия клапанов ~ в 5 раз. Выполнение фиксаторов 11 из пружинистой стальной проволоки не требует настройки для одновременного их взаимодействия в стыках НКТ и не влияет на изменение усилий перемещения, а отсутствие ограничения длины проволочных фиксаторов и жесткой связи с нажимной втулкой 9, дает возможность многократного использования и позволяет работать в различном типоразмере труб, и даже в зоне продуктивного пласта. За счет наличия подвижной связи нажимной втулки 9 с закрепленными в ней фиксаторами 11 с направляющей втулкой 15 и защелками 4, усилие подъема устройства приводит рабочие органы во взаимодействие, чем обеспечивает надежность срабатывания устройства. Раскрытие фиксаторов 11 до рабочего диаметра труб, задается углом конуса направляющей наружной поверхности соединительной втулки 19 и длиной хода, находящихся в подвижной связи нажимной втулки 9 с направляющей втулкой 15, а также расчетного расстояния жесткого крепления на подвижном штоке 1 ограничителя перемещения фиксаторов 12.

Таким образом, совокупность конструктивных элементов заявляемого устройства обеспечивает достижение технического результата.