устройство для очистки скважины от песчаной пробки

Формула изобретения

Устройство для очистки скважины от песчаной пробки, состоящее из переходника, жестко соединенного с гильзой, содержащей полый корпус и кожух и имеющей циркуляционные отверстия и кольцевую проточку на внутренней поверхности с установленным в ней разрезным пружинным кольцом, а также механизма разрушения, соосно размещенного в гильзе, имеющего кольцевую канавку, выполненную на уровне кольцевой проточки гильзы и полый шток, в верхней части выполненный в виде кольцевого поршня и образующий с полым корпусом гильзы расширительную камеру, при этом переходник и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал, отличающееся тем, что нижняя внутренняя торцовая поверхность переходника выполнена в виде седла, а полый корпус гильзы выполнен разъемным, при этом циркуляционные отверстия гильзы выполнены в его верхней части и перекрыты эластичной мембраной, причем кожух гильзы в нижней части снабжен торцовыми зубьями, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб, а полый шток механизма разрушения выполнен разъемным и подпружинен в верхней части относительно разъемного полого корпуса гильзы с возможностью осевого перемещения, при этом его верхняя торцовая поверхность выполнена в виде усеченного конуса и образует с седлом переходника торцовый клапан, к его нижней торцовой поверхности присоединена с помощью нижней муфты коронка с гидромониторной насадкой, установленной на последней с возможностью осевого вращения, при этом коронка снабжена торцовыми зубьями и имеет симметрично расположенные относительно оси устройства радиальные каналы и осевое дроссельное отверстие, гидромониторная насадка - тангенциальные каналы, а разъемные детали полого штока соединены верхней муфтой с образованием кольцевой камеры между наружной поверхностью разъемного полого штока, внутренней поверхностью разъемного полого корпуса и нижней торцовой поверхностью верхней муфты, связанной с общим осевым гидравлическим каналом устройства радиальными отверстиями, выполненными в стенке разъемного полого штока, причем площадь поперечного сечения кольцевой камеры равна площади поперечного сечения общего осевого гидравлического канала в области разъемного полого штока механизма разрушения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к эксплуатации и ремонту скважин и может быть использовано для очистки скважин от песчаных пробок и шлама.

Анализ существующего уровня показал следующее: известно устройство для очистки забоя скважин, в том числе от песчаных пробок и шлама, состоящее из переходника (муфты), жестко соединенного с гильзой, содержащей полый корпус и кожух (внешний патрубок), а также механизма разрушения, соосно размещенного в гильзе и имеющего полый шток (внутренний патрубок), образующий с полым корпусом гильзы расширительную камеру в виде полостей А и Б (см. а.с. №973799 от 25.05.81, кл. Е 21 В 43/00, опубл. в БИ №42, 1982). Переходник и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал. Разрушение песчаной пробки происходит за счет одновременного импульсного и механического воздействия.

Недостатком указанного устройства является неэффективность разрушения и выноса песчаной пробки, обусловленная рядом причин: перемещение внешнего патрубка вниз относительно внутреннего патрубка происходит только за счет веса, не оказывая существенного механического воздействия на слой песчаной пробки; движение наружного патрубка вниз под действием силы тяжести в условиях водопесчаной пульпы затруднено, что приводит к заклиниванию устройства; внутренний и внешний патрубки находятся в постоянном контакте с песком, что также может привести к заклиниванию устройства;

в качестве прототипа взято устройство для очистки скважины от песчаной пробки, состоящее из переходника, жестко соединенного с гильзой, содержащей полый корпус (верхний наружный стакан) и кожух, и имеющей циркуляционные отверстия (радиальные каналы) и кольцевую проточку на внутренней поверхности с установленным в ней разрезным пружинным кольцом, а также механизма разрушения, соосно размещенного в гильзе и имеющего кольцевую канавку, выполненную на уровне кольцевой проточки гильзы и полый шток (корпус), в верхней части выполненный в виде кольцевого поршня и образующий с полым корпусом гильзы расширительную камеру, при этом переходник и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал (см. а.с. №829877 от 31.05.79 г. по кл. Е 21 В 37/00, Е 21 В 21/00, опубл. в ОБ №18, 1981 г.). Очистка скважины происходит за счет чередования гидравлического размыва песчаной пробки и интенсивного выноса шлама.

Недостатком указанного устройства является неэффективность разрушения и выноса песчаной пробки, обусловленная рядом причин: неподвижность механизма разрушения в осевом направлении не позволяет осуществлять механическое воздействие на песчаную пробку; использование только гидромониторного эффекта струи жидкости, обеспечивает разрушение только рыхлых песчаных пробок и не позволяет разрушать сцементированные песчаные пробки; вертикально расположенные каналы в дне стакана и в дне неподвижного корпуса создают вертикально направленную струю, не обеспечивающую разрушение песчаной пробки по всему периметру осевого канала насосно-компрессорных труб; направление движения прокачиваемой жидкости по кольцевому пространству между корпусом и кожухом противоположно направлению выноса разрыхленной породы, в результате чего при постоянном расходе прокачиваемой жидкости снижается скорость выноса механических частиц; совпадение нижних торцовых поверхностей механизма разрушения и гильзы приводит к забиванию их вертикальных каналов и, как следствие, заклиниванию механизма разрушения.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения сводится к следующему: повышается эффективность разрушения и выноса песчаной пробки ввиду следующих причин: обеспечение разрушения песчаной пробки по всему периметру осевого канала насосно-компрессорных труб за счет воздействия тангенциально-направленной струи жидкости на поверхность песчаной пробки при вращении гидромониторной насадки; обеспечение механического воздействия на песчаную пробку за счет подвижности механизма разрушения в осевом направлении и возможности создания ударных нагрузок на зубья коронки при открытии торцового клапана и увеличения площади восприятия избыточного давления кольцевым поршнем; обеспечение возвратно-поступательного движения и исключение заклинивания механизма разрушения за счет возможности поддержания оптимальных контактных напряжений на торцовом клапане в результате выполнения кольцевой камеры с площадью поперечного сечения, равной площади поперечного сечения общего осевого гидравлического канала в области разъемного полого штока механизма разрушения; обеспечение повышения скорости восходящего потока твердых частиц за счет выполнения циркуляционных отверстий, перекрытых эластичной мембраной, выполняющей функцию обратного клапана.

Технический результат достигается с помощью известного устройства для очистки скважины от песчаной пробки, состоящего из переходника, жестко соединенного с гильзой, содержащей полый корпус и кожух и имеющей циркуляционные отверстия и кольцевую проточку на внутренней поверхности с установленным в ней разрезным пружинным кольцом, а также механизма разрушения, соосно размещенного в гильзе, имеющего кольцевую канавку, выполненную на уровне кольцевой проточки гильзы, и полый шток, в верхней части выполненный в виде кольцевого поршня и образующий с полым корпусом гильзы расширительную камеру, при этом переходник и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал. По заявляемой конструкции устройства для очистки скважины от песчаной пробки нижняя внутренняя торцовая поверхность переходника выполнена в виде седла, а полый корпус гильзы выполнен разъемным. Циркуляционные отверстия гильзы выполнены в верхней части разъемного полого штока и перекрыты эластичной мембраной. Кожух гильзы в нижней части снабжен торцовыми зубьями, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб. Полый шток механизма разрушения выполнен разъемным и подпружинен в верхней части относительно разъемного полого корпуса гильзы с возможностью осевого перемещения. Верхняя торцовая поверхность разъемного полого штока выполнена в виде усеченного конуса и образует с седлом переходника торцовый клапан. При этом к нижней торцовой поверхности разъемного полого штока присоединена с помощью нижней муфты коронка с гидромониторной насадкой, установленная на последней с возможностью осевого вращения. Коронка снабжена торцовыми зубьями и имеет симметрично расположенные относительно оси устройства радиальные каналы и осевое дроссельное отверстие, гидромониторная насадка - тангенциальные каналы. Разъемные детали полого штока соединены верхней муфтой с образованием кольцевой камеры между наружной поверхностью разъемного полого штока, внутренней поверхностью разъемного полого корпуса и нижней торцовой поверхностью верхней муфты. Кольцевая камера связана с общим осевым гидравлическим каналом устройства радиальными отверстиями, выполненными в стенке разъемного полого штока. При этом площадь поперечного сечения кольцевой камеры равна площади поперечного сечения общего осевого гидравлического канала в области разъемного полого штока механизма разрушения. Таким образом техническое решение соответствует условию новизны.

Анализ изобретательского уровня показал следующее: известно устройство для очистки скважин, состоящее из полого корпуса и установленного в нем полого штока (патрубка), подвижного в осевом направлении. Устройство имеет общий осевой гидравлический канал и радиальные каналы для осуществления гидравлической связи, а полый шток (патрубок) в нижней части снабжен фрезой с торцовыми зубьями (см. а.с. №602669 от 23.09.76, кл. Е 21 В 21/00, опубл. в БИ №14, 1978). Известны устройства для очистки скважины, состоящие из полого корпуса и установленного в нем полого штока, подвижного в осевом направлении (см. пат. РФ №2068078 от 27.02.96, кл. Е 21 В 37/00, Е 21 В 21/00, опубл. в БИ №29, 1996; пат. РФ №2068079 от 27.02.96, кл. Е 21 В 37/00, Е 21 В 21/00, опубл. в БИ №29, 1996); известно устройство для очистки нефтегазодобывающей скважины, снабженное коронкой с торцовыми зубьями (см. пат. РФ №2012778 от 28.12.91, кл. Е 21 В 37/00, Е 21 В 31/20, опубл. в БИ №9, 1994); известно устройство для очистки скважин, снабженное гидромониторной насадкой (соплом, выполненным в виде кольцевого насадка) с тангенциальными каналами, установленной с возможностью вращения (см. а.с. №1320382 от 04.02.86, кл. Е 21 В 21/00, опубл. в БИ №24, 1987); известно устройство для очистки скважины, в котором суммарная площадь перфорационных отверстий участка полого штока равна площади поперечного сечения его полости, что позволяет осуществлять быстрое заполнение колонны труб скважинной жидкостью, шламом, кольматирующими отложениями (см. пат. РФ №2068079 от 27.02.96, кл. Е 21 В 37/00, Е 21 В 21/00, опубл. в БИ №29, 1996); известен клапан для регулирования потока, в котором равенство диаметров сильфонов и затворов позволяет исключить действие давления рабочего агента на состояние открыт - закрыт клапана при газлифтной эксплуатации скважины (см. пат. РФ №2029073 от 13.06.91, кл. Е 21 В 43/00, опубл. в БИ №5, 1995). На основании вышеизложенного нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие со всеми отличительными признаками заявляемого технического решения. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.

На чертеже представлена конструкция устройства в продольном разрезе.

Заявляемое устройство состоит из переходника 1, нижняя торцовая поверхность которого выполнена в виде седла 2. Переходник 1 в нижней части жестко соединен с гильзой, содержащей разъемный полый корпус 3, соединенный муфтой 4, и кожух 5, жестко связанный с его нижним концом резьбовым соединением. В верхней части разъемного полого корпуса 3 выполнены циркуляционные отверстия 6, перекрытые эластичной мембраной 7, выполняющей функцию обратного клапана. Нижняя часть кожуха 5 снабжена торцовыми зубьями 8, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб. На внутренней поверхности кожуха 5 имеется кольцевая проточка 9, в которую установлено разрезное пружинное кольцо 10. В гильзе соосно размещен механизм разрушения который состоит из разъемного полого штока 11, в верхней части выполненного в виде кольцевого поршня 12. Разъемный полый шток 11 образует с разъемным полым корпусом 3 расширительную камеру 13. Переходник 1 и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал 14 с различной площадью поперечного сечения. Разъемный полый шток 11 в верхней части подпружинен возвратной пружиной 15 относительно разъемного полого корпуса 3, обеспечивая его подвижность в осевом направлении. Верхняя торцовая поверхность разъемного полого штока 11 выполнена в виде усеченного конуса и образует с седлом 2 переходника 1 торцовый клапан 16. Нижняя торцовая поверхность разъемного полого штока 11 соединена нижней муфтой 17 с коронкой 18. На коронке 18 свободно установлена гидромониторная насадка 19 с возможностью осевого вращения. Коронка 18 снабжена торцовыми зубьями 20 и имеет симметрично расположенные относительно оси устройства радиальные каналы 21 и осевое дроссельное отверстие 22, а гидромониторная насадка 19 тангенциальные каналы 23. На внутренней поверхности нижней муфты 17 выполнена кольцевая канавка 24 на уровне кольцевой проточки 9. Разъемные детали полого штока 11 соединены верхней муфтой 25 с образованием кольцевой камеры 26 между наружной поверхностью разъемного полого штока 11, внутренней поверхностью разъемного полого корпуса 3 и нижней торцовой поверхностью верхней муфты 25. Кольцевая камера 26 связана с общим осевым гидравлическим каналом 14 радиальными отверстиями 27. Площадь поперечного сечения кольцевой камеры 26 равна площади поперечного сечения общего осевого гидравлического канала 14, в области разъемного полого штока 11.

Устройство для очистки скважины от песчаной пробки является составной частью комплекса оборудования, обеспечивающего выполнение работ по ремонту скважин с использованием гибких труб. Агрегат с гибкими трубами не позволяет осуществлять вращение инструмента, ввиду чего невозможно использовать буровое долото. Очистку призабойной зоны скважины от песчаных пробок с использованием колонны гибких труб проводят, как правило, промывкой забоя скважины различными жидкостями на водной или нефтяной основе, с использованием насадок различной конструкции. Все они основаны на гидромониторном эффекте, а отличаются числом отверстий и направлением рабочих сопел. Потери давления на подобных насадках могут достигать 17 МПа. Эффективность разрушения песчаных пробок насадками снижается из-за неравномерности их разрушения. В центральной части образуются лунки, в которых гасится энергия струи. Для успешного разрушения кромок лунки целесообразно использовать комбинацию ударного воздействия и гидромониторного эффекта.

Применение устройства заявляемой конструкции позволяет существенно улучшить процесс разрушения песчаной пробки за счет механического воздействия механизма разрушения и гидромониторного импульсного воздействия тангенциально направленной струи, смещающейся при каждом отрыве механизма разрушения от забоя. В результате наложения механического воздействия и отклонения струи, а также выполнения внутренней поверхности зубьев кожуха в виде раструба, происходит разрушение песчаной пробки по всему периметру колонны насосно-компрессорных труб. Устройство позволяет также повысить эффективность выноса механических частиц на поверхность за счет наличия эластичной мембраны, выполняющей функцию обратного клапана. При открытии мембраны увеличивается скорость восходящего потока рабочей жидкости с механическими частицами по межтрубному пространству.

Изготовлено и испытано устройство для удаления песчаных пробок, основные параметры которого следующие: наружный диаметр, мм 50; длина, мм, 630; масса, кг, ~7; расход жидкости, м³/ч, 10-12, перепад давления, МПа, 1-2.

Устройство работает следующим образом.

Опытный образец устройства использовался при проведении ремонтных работ по разрушению и размыву глинисто-песчаной пробки на скважине №195 месторождения OOO “Ноябрьскгаздобыча”. Устройство через переходник 1 подсоединяют к нижнему концу колонны гибких труб и спускают в скважину на глубину образования глинисто-песчаной пробки 1041 м, до контакта торцовых зубьев 8 с поверхностью пробки (скважинная среда - буровой раствор на водной основе, нефть, газ, газоконденсат и их смеси). В колонну гибких труб подают рабочую жидкость под избыточным давлением, которая через дроссельное отверстие 22 коронки 18 воздействует на поверхность глинисто-песчаной пробки, разрушая ее. Одновременно часть расхода промывочной жидкости подается через радиальные каналы 21 коронки 18 внутрь гидромониторной насадки 19, которая приводится во вращение за счет реакции струй, истекающих из тангенциальных каналов 23, и воздействует на поверхность глинисто-песчаной пробки по всему периметру осевого канала насосно-компрессорных труб. При этом суммарный расход рабочей жидкости через дроссельное отверстие 22 и тангенциальные каналы 23 меньше расхода рабочей жидкости, подаваемой по колонне гибких труб, что приводит к плавному росту давления в гибкой колонне труб. С ростом перепада давления, воспринимаемым торцовым клапаном 16, механизм разрушения удерживается в начальном положении разрезным пружинным кольцом 10. При расчетном перепаде давления разрезное пружинное кольцо 10 деформируется в радиальном направлении, разъемный полый шток 11 отрывается от седла 2, открывая торцовый клапан 16, и рабочая жидкость под давлением подается в расширительную камеру 13. Избыточное давление рабочей жидкости воспринимается площадью сечения кольцевого поршня 12 и приводит к резкому перемещению механизма разрушения относительно гильзы с соответствующим сжатием возвратной пружины 15 и механическим ударным воздействием коронки 18 на песчаную пробку. При этом рабочая жидкость свободно подается через циркуляционные отверстия 6 в межтрубное пространство скважины, отжимая эластичную мембрану 7, выполняющую функцию обратного клапана. Давление в осевом канале гибкой колонны труб снижается и усилием сжатой возвратной пружины 15 механизм разрушения возвращается в исходное положение, до закрытия торцового клапана 16. При этом прекращается подача рабочей жидкости к циркуляционным отверстиям 6, давление в осевом канале гибкой колонны труб плавно возрастает и после увеличения давления до расчетного значения процесс гидромеханического воздействия на песчаную пробку повторяется. В процессе набора давления в осевом канале гибкой колонны труб последнее уравновешивается давлением, воспринимаемым нижней торцовой поверхностью верхней муфты 25 за счет равенства площадей поперечного сечения общего осевого гидравлического канала 14 и кольцевой камеры 26, в результате чего контактные напряжения в торцовом клапане 16 сохраняют оптимальные значения при любом перепаде давления.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности, а именно, условию новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.