ЛОВИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИХВАЧЕННОГО ИНСТРУМЕНТА С ВИБРАЦИОННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ
GRABBING DEVICE FOR STUCK TOOL WITH VIBRATION ACTION

Изобретение относится к ловильным устройствам для ликвидации аварий с трубами в скважинах, а именно к аварийным инструментам для извлечения из скважин труб путем их захвата за внутреннюю часть.
Известна внутренняя освобождающаяся труболовка (Патент РФ №1559106, МПК Е21В 31/20, 1986 г., опубл. БИ №15 от 23.04.1990 г.), включающая корпус со спиральной конической поверхностью, присоединительной резьбой на верхнем конце и направляющим наконечником на нижнем, захватывающую втулку со спиральной конической поверхностью на внутренней поверхности ответной спиральной конической опорной поверхности корпуса и резьбовой нарезкой на наружной поверхности, размещенные над и под захватывающей втулкой цилиндрические обоймы, направляющими, равномерно расположенными в продольных плоскостях по окружности корпуса, захватывающая втулка выполнена в виде отдельных сегментов, концы которых выполнены в виде Т-образных выступов и размещены в обоймах с возможностью ограниченного радиального перемещения, при этом направляющие размещены между сегментами захватывающей втулки, а цилиндрические обоймы установлены с возможностью ограниченного осевого перемещения, причем верхняя цилиндрическая обойма взаимодействует с корпусом посредством размещенной над ней пружины.
Недостатками данной конструкции являются:
- во-первых, сложность изготовления, обусловленная большим количеством технически сложных деталей, что ведет к удорожанию конструкции в целом и, как следствие, высокой ее стоимости;
- во-вторых, большое количество деталей, контактирующих между собой в процессе залавливания аварийной колонны, ведет к низкой надежности устройства при работе в сложных условиях.
Также известна скважинная труболовка (а.с. №956745, Е21В 31/20, 1982 г., опубл. БИ №33 от 07.09.1982 г.), содержащая конический корпус с направляющей в нижней части и переводником в верхней, коническую ловильную втулку и узел освобождения, который выполнен в виде гибких элементов, одни концы которых соединены с ловильной втулкой, а другие - с переводником.
Недостатками скважинной труболовки являются:
во-первых, низкая надежность в работе, поскольку на труболовку действуют знакопеременные нагрузки, что может привести к обрыву гибких элементов и нарушению их крепления сверху с переводником, а снизу со втулкой в процессе залавливания и извлечения аварийных труб;
во-вторых, при необходимости освобождения труболовки от прихваченных аварийных труб необходимо вращать труболовку влево, в результате чего гибкие элементы наматываются на корпус, сокращаясь по длине, что может привести к раскручиванию труб рабочей колонны, на которой спущена труболовка, в связи с чем создается аварийная ситуация.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является внутренняя труболовка (Патент РФ на полезную модель №27139, МПК Е21В 31/20, 40/00, опубл. БИ №1 от 10.01.2003 г.), состоящая из гладкого корпуса с захватными элементами, направляющей поверхностью и продольным промывочным отверстием. В гладком корпусе выполнены смещенные вдоль оси диаметрально расположенные наклонные плоскости, снабженные выступами в форме ласточкина хвоста, взаимодействующими с пазами соответствующей формы захватных элементов, в нижней части наклонных плоскостей установлены упоры для ограничения перемещений захватных элементов, кроме того, направляющая поверхность с одной стороны выполнена скошенной.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая эффективность работы ловильного устройства, так как устройство не позволяет оказывать вибрационные воздействия на прихваченный инструмент в радиальном направлении;
- во-вторых, невозможность создания вибрационного воздействия на прихваченный инструмент ведет к увеличению нагрузки на колонну ловильных труб и на подъемный агрегат при страгивании прихваченного инструмента, что может привести к обрыву колонны ловильных труб или поломке подъемного агрегата;
- в-третьих, невозможно использование «расхаживания» (знакопеременной осевой нагрузки).
Технической задачей изобретения является повышение эффективности работы ловильного устройства за счет создания вибрационного воздействия на прихваченный инструмент в радиальном направлении с возможностью «расхаживания», а также снижение нагрузки на колонну ловильных труб и на подъемный агрегат при страгивании прихваченного инструмента.
Указанная задача решается ловильным устройством для прихваченного инструмента с вибрационным воздействием, содержащим корпус с захватными элементами, направляющей поверхностью и продольным промывочным отверстием, при этом в корпусе выполнены смещенные вдоль его оси диаметрально расположенные наклонные плоскости, снабженные выступами в форме ласточкина хвоста, взаимодействующими с пазами соответствующей формы захватных элементов.
Новым является то, что сверху корпус снабжен размещенными друг над другом ударным механизмом и генератором импульса, при этом ударный механизм состоит из обоймы, ниппеля, жестко и концентрично размещенного в обойме, а также дифференциального кольцевого штока, подпружиненного снизу и установленного между обоймой и ниппелем с возможностью осевых перемещений, причем ниппель снабжен верхним, средним и нижним рядами радиальных отверстий и глухой поперечной перегородкой, разделяющей верхний и средний ряды радиальных отверстий, которые в рабочем положении сообщаются между собой посредством перепускного канала, выполненного между обоймой и ниппелем, при этом в обойме напротив дифференциального кольцевого штока, который в начальном положении перекрывает средний ряд радиальных отверстий ниппеля, выполнены отверстия, сообщающие в рабочем положении пространство над ступенью дифференциального кольцевого штока с наружным пространством устройства, при этом сверху обойма ударного механизма соосно и жестко соединена с генератором импульса, состоящим из кожуха и полого сердечника, причем полый сердечник герметично установлен в кожух и подпружинен вверх с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно кожуха.
На чертеже изображено ловильное устройство для прихваченного инструмента с вибрационным воздействием.
Ловильное устройство для прихваченного инструмента с вибрационным воздействием содержит корпус 1 с захватными элементами 2, направляющей поверхностью 3 и продольным промывочным отверстием 4.
В корпусе 1 выполнены смещенные вдоль его оси диаметрально расположенные наклонные плоскости 5 (показана только одна плоскость), снабженные выступами 6 в форме ласточкина хвоста, взаимодействующими с пазами 7 соответствующей формы захватных элементов 2.
Сверху корпус 1 снабжен размещенными друг над другом ударным механизмом 8 и генератором импульса 9. Ударный механизм 8 состоит из обоймы 10, ниппеля 11, жестко и концентрично размещенного в обойме 10, а также дифференциального кольцевого штока 12, установленного между обоймой 10 и ниппелем 11 с возможностью осевых перемещений.
Ниппель 11 снабжен верхним 12, средним 13 и нижним 14 рядами радиальных отверстий. Ниппель 11 внутри снабжен глухой перегородкой 15, разделяющей верхний 12 и средний 13 ряды радиальных отверстий, которые сообщаются между собой посредством перепускного канала 16, выполненного между обоймой 10 и ниппелем 11.
В обойме 10 напротив подпружиненного снизу пружиной 17 дифференциального кольцевого штока 12, который в начальном положении перекрывает средний ряд 13 радиальных отверстий ниппеля 11, выполнены отверстия 18, сообщающие в рабочем положении пространство над ступенью дифференциального кольцевого штока 12 с наружным пространством устройства, при этом сверху обойма 10 вибратора 8 соосно и жестко соединена с генератором импульса 9, состоящим из кожуха 19 и полого сердечника 20, причем полый сердечник 20 герметично установлен в кожух 19 и подпружинен посредством пружины 21 вверх с возможностью ограниченного осевого перемещения относительно кожуха 19.
Устройство работает следующим образом.
Ловильное устройство в сборе в транспортном положении, как показано на чертеже, устанавливают на конце ловильной колонны труб 22 и спускают в скважину (не показано). При подходе ловильного устройства к прихваченному инструменту замедляют скорость спуска устройства и медленно со скоростью не более 0,1 м/с продолжают спускать ловильную колонну труб 22 в скважину. В определенный момент корпус 1 направляющей поверхностью 3 входит в прихваченный инструмент 23, совмещая ось ловильной колонны труб 22 с осью прихваченного инструмента 23. Спуск ловильной колонны труб 22 продолжают, при этом захватные элементы 2 поднимаются вверх по соответствующим наклонным поверхностям 5, снабженным выступами 6 в форме ласточкина хвоста, взаимодействующими с пазами 7 соответствующей формы захватных элементов 2. Спуск ловильной колонны труб 22 продолжают до тех пор, пока прихваченный инструмент 23 верхним торцом не упрется в нижний торец обоймы 10 ударного механизма 8, о чем свидетельствует снижение нагрузки на индикаторе веса (не показано), установленном на устье скважины.
Восстанавливают циркуляцию жидкости по ловильной колонне труб 22, при этом поток жидкости, достигнув устройства, попадает внутрь полого сердечника 20 и далее, через внутреннее пространство полого сердечника 20 и кожуха 19 генератора импульса 9, попадает внутрь обоймы 10 ударного механизма 8 и через верхний ряд радиальных отверстий 12 ниппеля 11 попадает в перепускной канал 16 над дифференциальным кольцевым штоком 12, при этом давление жидкости в перепускном канале 16 и внутреннем пространстве генератора импульса 9 повышается.
С повышением давления поток жидкости во внутреннем пространстве генератора импульса 9 воздействует снизу на нижний торец полого сердечника 20, сжимая пружину 21, что приводит к перемещению полого сердечника 20, а также всей компоновки ловильной колонны труб 22 вверх, то есть генератор импульсов 9 увеличивается на ограниченную длину хода полого сердечника. 20. Технологическое отверстие 24, выполненное в кожухе 19, исключает «поршневание» жидкости при перемещении полого сердечника 20 в кожухе 19 в процессе работы генератора импульса 9.
Одновременно с этим дифференциальный кольцевой шток 12, сжимая пружину 17, опускается вниз относительно ниппеля 11 и полого цилиндра 10 ударного механизма 8 до тех пор, пока не откроется средний ряд радиальных отверстий 13, который был перекрыт дифференциальным кольцевым штоком 10 в исходном положении.
В момент открытия среднего ряда радиальных отверстий 13 ниппеля 11 перемещение вверх полого сердечника 20 в кожухе 19 генератора импульса 9 и всей компоновки ловильной колонны труб 22 прекращается. Давление жидкости над и под глухой перегородкой 15 выравнивается и полый сердечник 20, жестко соединенный с ловильной колонной труб 22, за счет возвратной силы пружины 21 опускается вниз, при этом полый сердечник 20 ударяет своим нижним торцом в верхний торец кожуха 19 генератора импульса 9, что, в свою очередь, за счет жесткого соединения элементов конструкции устройства приводит к удару в верхний торец прихваченного инструмента 23 посредством полого цилиндра 10 ударного механизма 8, при этом генератор импульса 9 сокращается по длине (полый сердечник 20 втягивается в кожух 19 генератора импульса 9) и возвращается в исходное положение.
Одновременно с этим поток жидкости через открывшийся под действием давления жидкости средний ряд радиальных отверстий 13 попадает внутрь ниппеля 11 под глухой перегородкой 15, откуда жидкость сквозь нижний ряд радиальных отверстий 14 ниппеля 11 поступает в пространство под дифференциальным кольцевым штоком 12, оказывая снизу давление на дифференциальный кольцевой шток 12, при этом за счет разницы давлений сверху и снизу (снизу давление больше, чем сверху, так как площадь кольцевого сечения дифференциального кольцевого штока 12 снизу больше, чем сверху), а также возвратной силы пружины 17 возвращается в исходное положение, перекрывая средний ряд радиальных отверстий 13 ниппеля 11. Далее из внутреннего пространства ниппеля 11 под глухой перегородкой 15 поток жидкости попадает в продольное промывочное отверстие 4 корпуса 1 и далее по межколонному пространству (не показано) поднимается на поверхность. «Поршневание» дифференциального кольцевого штока 12 при его перемещении вверх исключается благодаря отверстию 18, сообщающему в рабочем положении пространство над ступенью дифференциального кольцевого штока 12 с наружным пространством устройства.
При дальнейшей циркуляции жидкости вышеописанный цикл повторяется. В результате происходит осевое вибрационное воздействие на прихваченный инструмент 23, направленное вниз. Генератор импульса 9 преобразует пульсацию жидкости в соосные малоамплитудные колебания, воздействующие на ловильную колонну труб 22.
Далее приподнимают ловильную колонну труб 22, при этом захватные элементы 2 опускаются вниз по соответствующим наклонным поверхностям 5, снабженным выступами 6 в форме ласточкина хвоста, взаимодействующими с пазами 7 соответствующей формы захватных элементов 2, и захватные элементы фиксируются на внутренних стенках прихваченного инструмента 23.
Делают натяжку ловильной колонны труб 22 вверх примерно на 50-70 кН, при этом пружина 21 сжимается, что приводит к ограниченному перемещению полого сердечника 20 вверх относительно кожуха 19, а также всей компоновки ловильной колонны труб 22 вверх, после чего начинают одновременно «расхаживание» ловильной колонны труб 22 и восстанавливают циркуляцию жидкости по ловильной колонне труб 22.
В результате поток жидкости по ловильной колонне труб 22 через внутреннее пространство генератора импульса 9 попадает внутрь обоймы 10 ударного механизма 8 и через верхний ряд радиальных отверстий 12 ниппеля 11 попадает в перепускной канал 16 над дифференциальным кольцевым штоком 12, при этом давление жидкости в перепускном канале 16 повышается и в определенный момент дифференциальный кольцевой шток 12, сжимая пружину 17, опускается вниз относительно ниппеля 11 и полого цилиндра 10 ударного механизма 8 до тех пор, пока не откроется средний ряд радиальных отверстий 13, который был перекрыт дифференциальным кольцевым штоком 10 в исходном положении.
После открытия среднего ряда 13 радиальных отверстий давление жидкости над и под глухой перегородкой 15 выравнивается и жидкость попадает внутрь ниппеля 11 под глухой перегородкой 15, откуда жидкость сквозь нижний ряд радиальных отверстий 14 ниппеля 11 поступает в пространство под дифференциальным кольцевым штоком 12, оказывая снизу давление на дифференциальный кольцевой шток 12, при этом за счет разницы давлений сверху и снизу (снизу давление больше, чем сверху, так как площадь кольцевого сечения дифференциального кольцевого штока 12 снизу больше, чем сверху), а также возвратной силы пружины 17 возвращается в исходное положение, перекрывая средний ряд радиальных отверстий 13 ниппеля 11. Далее из внутреннего пространства ниппеля 11 под глухой перегородкой 15 поток жидкости попадает в продольное промывочное отверстие 4 корпуса 1 и далее по межколонному пространству (не показано) поднимается на поверхность.
«Поршневание» дифференциального кольцевого штока 12 при его перемещении вверх исключается благодаря отверстию 18, сообщающему в рабочем положении пространство над ступенью дифференциального кольцевого штока 12 с наружным пространством устройства.
В результате дифференциальный кольцевой шток 12 своей ступенью ударяет в торец полого цилиндра 10 ударного механизма 8. При дальнейшей циркуляции жидкости вышеописанный цикл повторяется. В результате происходит осевое вибрационное воздействие на прихваченный инструмент 23, направленное вверх.
В результате ловильное устройство совершает осевые вибрационные колебания, при этом при разгрузке ловильного инструмента осевые вибрационные колебания направлены вниз, а при натяжении - вверх, что снижает растягивающее усилие на ловильную колонну труб, прилагаемое при страгивании прихваченного инструмента и позволяет гарантированно извлечь прихваченный инструмент из скважины.
После освобождения прихваченного инструмента 23 отмечается снижение веса ловильной колонны труб 22 на индикаторе веса, установленном на устье скважины, ловильное устройство с освобожденным прихваченным инструментом 23 извлекают из скважины.
Предлагаемое ловильное устройство имеет высокую эффективность работы за счет создания вибрационного воздействия на прихваченный инструмент в осевом направлении с возможностью «расхаживания» прихваченного инструмента при натяжке вверх, а также снижение нагрузки на колонну ловильных труб и на подъемный агрегат при страгивании прихваченного инструмента, что позволяет сократить продолжительность аварийные работы по извлечению прихваченного инструмента, а значит сократить материальные и финансовые затраты.