УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСВОБОЖДЕНИЯ КОЛОННЫ ТРУБ ИЗ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR RELEASING STRING FROM WELL

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устройствам для освобождения аварийной колонны труб, прихваченной в скважине.
Известно устьевое устройство для освобождения колонны труб из скважины (патент US 3500908, Е21В 37/08; Е21В 41/00, опубл. 07.02.1974 г.), включающее демпфер, установленный между подъемником и генератором вертикальных импульсов, который снизу соединен с колонной труб, причем демпфер выполнен в виде верхней и нижней горизонтальных пластин с вертикальными телескопически вставленными друг в друга цилиндром и штоком, между упорами которых установлены пружины, а генератор вертикальных импульсов выполнен в виде установленных в корпусе пар соединенных вертикальных зубчатых колес со смещенным центром тяжести, подобранных так, что при вращении зубчатых колес их суммарный импульс был направлен по оси колонны труб.
Недостатками данного устьевого устройства являются:
во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей;
во-вторых, высокая точность изготовления зубчатых колес, напрямую влияющая на дороговизну устройства в изготовлении, в обратном случае может произойти заклинивание зубчатых колес в процессе работы;
в-третьих, усилие по оси колонны, создаваемое на прихваченную колонну труб, равнозначно по усилию вверх и вниз, кроме того, создаются удары металлических частей оборудования друг об друга, что снижает эффективность извлечения прихваченной колонны труб из скважины.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устьевое устройство для освобождения колонны труб из скважины (патент RU 2380517,
Е21В 31/107, опубл. в бюл. №3 от 27.01.2010 г.), включающее демпфер, установленный между подъемником и генератором вертикальных импульсов, который снизу соединен с колонной труб, при этом демпфер выполнен в виде вертикального герметичного цилиндра с поршнем, внутренняя полость под поршнем которого заполнена газом, а генератор вертикальных импульсов выполнен в виде трубчатого корпуса, состоящего из последовательно соединенных силовых цилиндров и соединенного сверху со штоком поршня демпфера, при этом силовые цилиндры снабжены силовыми поршнями, соединенными последовательно полыми штоками так, что подпоршневые полости силовых цилиндров сообщены между собой и через распределитель и предохранительный клапан с поршневым бесклапанным насосом, оснащенным буферной емкостью, нижний шток силового поршня, заглушенный снизу, соединен с колонной труб, причем распределитель, состоящий из цилиндрического корпуса с двумя камерами, разделенными перегородкой, которая оснащена прямым клапаном для подачи жидкости от насоса и обратным клапаном для сброса жидкости из силовых цилиндров подпружиненными клапанами, при этом усилие сжатия пружины обратного клапана выше, чем усилие сжатия пружины прямого клапана, предохранительный клапан размещен между распределителем и поршневым бесклапанным насосом, установлен в боковом канале проходного патрубка и выполнен с возможностью сообщения этого патрубка с буферной емкостью при достижении внутри патрубка, соответственно в поршневом бесклапанном насосе и трубчатом корпусе давления, превышающего давление открытия предохранительного клапана.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая эффективность работы устройства по извлечению прихваченной колонны труб, так как оно совершает только осевые вибрационные колебания и не совершает радиальных колебаний;
- во-вторых, опыт практического применения показал, что оно достаточно эффективно ликвидирует прихват, который произошел в верхней части скважины ближе к устью, то есть на расстоянии 100-400 метров от устья скважины, и менее эффективен, если прихват произошел ближе к забою скважины на глубине 1700-1800 метров.
Задачей изобретения является повышение эффективности извлечения прихваченной колонны труб за счет возможности радиальных вибрационных колебаний на прихваченную колонну труб непосредственно над местом прихвата независимо от глубины прихвата в скважине.
Поставленная задача решается устройством для освобождения колонны труб из скважины, включающим демпфер, установленный между подъемником и генератором вертикальных импульсов, который снизу соединен с колонной труб, при этом демпфер выполнен в виде вертикального герметичного цилиндра с поршнем, внутренняя полость под поршнем которого заполнена газом, а генератор вертикальных импульсов выполнен в виде трубчатого корпуса, состоящего из последовательно соединенных силовых цилиндров и соединенного сверху со штоком поршня демпфера, при этом силовые цилиндры снабжены силовыми поршнями, соединенными последовательно полыми штоками так, что подпоршневые полости силовых цилиндров сообщены между собой и через распределитель и предохранительный клапан с поршневым бесклапанным насосом, оснащенным буферной емкостью, нижний шток силового поршня, заглушенный снизу, соединен с колонной труб, причем распределитель состоит из цилиндрического корпуса с двумя камерами, разделенными перегородкой, которая оснащена прямым клапаном для подачи жидкости от насоса и обратным клапаном для сброса жидкости из силовых цилиндров подпружиненными клапанами, при этом усилие сжатия пружины обратного клапана выше, чем усилие сжатия пружины прямого клапана, предохранительный клапан размещен между распределителем и поршневым бесклапанным насосом, установлен в боковом канале проходного патрубка и выполнен с возможностью сообщения этого патрубка с буферной емкостью при достижении внутри патрубка, соответственно в поршневом бесклапанном насосе и трубчатом корпусе давления, превышающего давление открытия предохранительного клапана.
Новым является то, что между нижним штоком силового гидроцилиндра и колонной труб установлен тройник, соединенный гидравлически с дополнительным насосом с емкостью, сообщающейся гидравлически с межтрубным пространством скважины, при этом колонна труб над местом прихвата снабжена вибратором радиального действия, состоящим из полого цилиндра и размещенного в нем штока с проходным каналом, а также седла, установленного в проходном канале штока для размещения в нем шара, причем шток снабжен верхним и нижним рядами радиальных отверстий, которые сообщаются между собой посредством перепускного канала, выполненного между полым цилиндром и штоком, при этом полый цилиндр выполнен эксцентрично со смещенным центром тяжести относительно оси устройства, причем в перепускном канале на внутренней поверхности полого цилиндра тангенциально размещены лопатки, позволяющие полому цилиндру вращаться относительно штока.
На фигуре 1 изображена верхняя часть предлагаемого устройства для освобождения колонны труб из скважины в продольном разрезе.
На фигуре 2 изображена нижняя часть предлагаемого устройства для освобождения колонны труб из скважины в продольном разрезе.
На фигуре 3 изображено поперечное сечение А-А устройства.
Устройство для освобождения колонны труб из скважины (не показано) включает демпфер 1 (см. чертеж), установленный между подъемником 2 (условно показан крюкоблок) и генератором вертикальных импульсов 3.
n
n
n
n
n
n
n
n
n
Демпфер 1 выполнен в виде вертикального герметичного цилиндра 4 с герметично вставленным в него поршнем 5, внутренняя полость 6 которого заполнена газом (например, азотом под давлением 30,0 МПа). Генератор вертикальных импульсов 3 выполнен в виде трубчатого корпуса и состоит из нескольких соединенных между собой силовых цилиндров 7…7 (например, из пяти соединенных между собой гидроцилиндров), внутри которых размещены соединенные между собой поршни 8…8 со штоками 9; 9'…9, причем все штоки, кроме нижнего штока 9, который заглушен снизу и посредством тройника 10 соединен с верхним концом прихваченной колонны труб 11, выполнены полыми и гидравлически сообщают подпоршневые полости 12…12 силовых цилиндров 7…7 между собой посредством каналов 13. Сверху генератор вертикальных импульсов соединен с демпфером 1, а подпоршневая полость 12 одного из силовых цилиндров, например 7, выполнена с возможностью сообщения с поршневым бесклапанным насосом 14. Подпоршневые полости 12…12 силовых цилиндров 7…7 сообщены между собой, а также через распределитель 15 и предохранительный клапан 16 с поршневым бесклапанным насосом 14, оснащенным буферной емкостью 17, а нижний шток 9 заглушен снизу и соединен с колонной труб 11.
n
Распределитель 15 состоит из цилиндрического корпуса 18 с двумя камерами 19 и 20, разделенными перегородкой 21, которая оснащена прямым клапаном 22 для подачи жидкости от поршневого бесклапанного насоса 14 и обратным клапаном 23 для сброса жидкости из силовых цилиндров 7…7, подпружиненными посредством пружин 24 и 25 соответственно, при этом усилие поджатия пружиной 25 обратного клапана 23 выше, чем усилие поджатия пружиной 24 прямого клапана 22.
Прямой клапан 22 перекрывает отверстие 26, а обратный клапан 23 перекрывает отверстие 27, выполненные в перегородке 21 распределителя 15.
max
Предохранительный клапан 16 подпружинен пружиной 16', размещен между распределителем 15 и поршневым бесклапанным насосом 14, установлен в боковом канале 28 проходного патрубка 29 и выполнен с возможностью сообщения проходного патрубка 29 посредством линии 30 с буферной емкостью 17, при достижении внутри патрубка 29 соответственно в поршневом бесклапанном насосе 14 и в трубчатом корпусе, выполненном в виде генератора вертикальных импульсов 3 давления, превышающего давление открытия предохранительного клапана 16 (например, Р=200 атм=20,0 МПа).
Внутри скважины над местом прихвата прихваченной колонны труб колонна труб 11 снабжена вибратором радиального действия 31, состоящим из полого цилиндра 32 и размещенного в нем штока 33 с проходным каналом 34, а также седла 35, установленного в проходном канале 34 штока 33 для размещения в нем шара 36.
Шток 33 снабжен верхним 37 и нижним 38 рядами радиальных отверстий, которые сообщаются между собой посредством перепускного канала 39, выполненного между полым цилиндром 32 и штоком 33.
В перепускном канале 39 на внутренней поверхности полого цилиндра 32 тангенциально размещены лопатки 40, позволяющие полому цилиндру 32 вращаться относительно штока 33, создавая радиальное вибрационное воздействие непосредственно на место прихвата прихваченной колонны труб, например, находящейся в скважине оборванной колонны труб с пакером (не показано), с которой при помощи вибратора радиального действия 31 и ловильного инструмента 41 (показано частично) соединена колонна труб 11.
n
n
Между нижним штоком 9 силового гидроцилиндра 7 и колонной труб 11 установлен тройник 10, соединенный гидравлически с дополнительным насосом 42, связанным с емкостью 43, и сообщающийся гидравлически с межтрубным пространством 44 скважины.
Несанкционированные перетоки жидкости исключаются уплотнительными элементами 45-49.
Устройство для освобождения колонны труб из скважины работает следующим образом.
Вибратор радиального действия 31, например в сборе с ловильным инструментом 41, как показано на фигуре 2, устанавливают на конце колонны труб 11 и спускают в скважину (не показано).
п
п
max
Производят захват ловильным инструментом 41 прихваченной колонны труб, после чего на устье скважины на колонну труб 11 наворачивают тройник 10 и производят сборку верхней (наземной) части устройства, как показано на фигуре 1, при этом пружины 24 и 25 соответственно прямого 22 и обратного 23 клапана, а также пружину 16' предохранительного клапана 16 регулируют путем поджатия регулировочных винтов на определенное давление (например, гидравлическое давление срабатывания прямого клапана Р=1 атм=0,1 МПа и гидравлическое давление срабатывания обратного клапана Р=50 атм = 5 МПа, а также гидравлическое давление открытия предохранительного клапана Р=200 атм=20,0 МПа).
С помощью подъемника 2 (см. фигуру 2) производят натяжку устройства и соответственно прихваченной в скважине колонны труб 11 примерно на 50-70 кН.
Приводят в действие поршневой бесклапанный насос 14.
п
В процессе работы поршни (не показано) поршневого бесклапанного насоса 14 движутся, например слева направо, нагнетая рабочую жидкость (например, техническую воду) в распределитель 15. Рабочая жидкость сначала попадает в камеру 20 распределителя 15, откуда через отверстие 26 и прямой клапан 22, отжав его пружину 24 (при достижении гидравлического давления Р=1 атм=0,1 МПа в камере 20 распределителя), в камеру 19 распределителя 15, из которой посредством гидравлической линии 35 нагнетается поршневым бесклапанным насосом 14 в подпоршневую полость 12 гидроцилиндра 7.
n
n
Из подпоршневой полости 12 гидроцилиндра 7 рабочая жидкость по каналам 13 перетекает в подпоршневые полости 12'…12 других гидроцилиндров 7…7.
n
n
n
n
n
В результате поршни 8…8 со штоками 9; 9'…9 под действием гидравлического давления, создаваемого насосом 14 в подпоршневых полостях 12…12 гидроцилиндров 7…7, перемещаются вверх, вытягивая за собой прихваченную колонну труб 11 относительно перемещающихся вниз силовых цилиндров 7…7 генератора вертикальных импульсов 3, при этом во внутренней полости 6 демпфера 1 происходит сжатие газа поршнем 5, герметично вставленным в цилиндр 4, и происходит гашение ударного усилия, направленного вниз, воспринимаемого подъемником 2.
n
n
n
max
Движение поршней 8…8 со штоками 9; 9'…9 вверх (импульс) и соответственно вытягивание прихваченной колонны труб 11 происходят до тех пор, пока не сработает предохранительный клапан 16, например Р=200 атм = 20 МПа, что контролируется манометром 36 и соответствует окончанию нагнетания рабочей жидкости в силовые цилиндры 7…7.
max
max
max
n
После срабатывания (открытия) предохранительного клапана 16 (при достижении Р=200 атм = 20 МПа) рабочая жидкость, отжав пружину 16', перетекает из проходного патрубка 29 в боковой канал 28 и оттуда по линии 30 в буферную емкость 17, при этом давление в предохранительном клапане 16 и линии 30, связанной с буферной емкостью 17, будет превышать Р=200 атм = 20 МПа. Это продолжается до тех пор, пока поршни в поршневом бесклапанном насосе 14 не переместятся слева направо до своего крайнего правого положения в поршневом бесклапанном насосе 14, при этом давление в нагнетательной линии 35 и соответственно внутри силовых цилиндров 7…7 не будет превышать Р=200 атм = 20 МПа, что контролируется по показаниям манометра 36.
Далее направление перемещения поршней поршневого бесклапанного насоса 14 меняется на противоположное (справа налево). Объем поршневой полости (не показано) начинает увеличиваться, и предохранительный клапан 16 закрывается, то есть занимает первоначальное положение (см. фигуру 1).
n
n
n
n
n
n
n
Давление в подпоршневых полостях 12…12 гидроцилиндров 7…7 падает за счет веса прихваченной колонны труб 11, поршни 8…8 со штоками 9; 9'…9 перемещаются вниз относительно перемещающихся вверх гидроцилиндров 7…7 генератора вертикальных импульсов 3, при этом рабочая жидкость под весом прихваченной колонны труб 11 начинает перетекать из подпоршневых полостей 12'…12 гидроцилиндров 7'…7 по гидравлической линии 35 в распределитель 15.
В генераторе вертикальных импульсов 3 поршень 5 под действием давления газа во внутренней полости 6 демпфера 1 возвращается в исходное положение (см. фигуру 1), и происходит гашение усилия, направленного вверх, воспринимаемого подъемником 2.
Достигнув распределителя 15, рабочая жидкость сначала попадает в камеру 19 распределителя 15, откуда через отверстие 27 обратного клапана 23, отжав его пружину 25, попадает в камеру 20 распределителя 15, оттуда перетекает в поршневую полость поршневого бесклапанного насоса 14, поскольку поршни последнего перемещаются слева направо, вследствие чего увеличивается объем поршневой полости поршневого бесклапанного насоса 14.
n
n
п
Перетекание рабочей жидкости из подпоршневых полостей 12'…12 гидроцилиндров 7'…7 по гидравлической линии 35 в распределитель 15 и из распределителя 15 в поршневую полость поршневого бесклапанного насоса 14 прекращается при закрытии обратного клапана 21 в момент достижения в камере 19 распределителя 15 гидравлического давления Р=50 атм = 5 МПа.
max
Таким образом, в гидравлической системе «насос - распределитель - силовые гидроцилиндры» гидравлическое давление не снижается ниже 5 МПа, что позволяет находиться прихваченной колонне труб 11 в натянутом положении, то есть не разгружать вес колонны на место прихвата, поэтому импульс усилия всегда направлен вверх, а предохранительный клапан 16 исключает резкое повышение давления выше максимально допустимого Р=200 атм = 20 МПа, что обеспечивает безаварийную работу устройства.
Демпфер 1 служит для гашения знакопеременной нагрузки, передающейся в процессе работы предлагаемого устройства на подъемник 2.
Таким образом происходит один цикл работы устьевого устройства для освобождения колонны труб из скважины.
В дальнейшем цикл повторяется до освобождения прихваченной колонны труб, как описано выше, при этом происходит безударное вибрационное воздействие на прихваченную колонну труб 11.
Одновременно с осевыми вибрационными колебаниями на прихваченную колонну труб создают радиальные вибрационные колебания путем закачки жидкости дополнительным насосным агрегатом 42 из емкости 43 по колонне труб 19, при этом поток жидкости, достигнув вибратора радиального действия 31, попадает внутрь штока 33, а шар 36 садится на седло 35 и герметично перекрывает проходной канал 34.
В результате поток жидкости через верхний ряд радиальных отверстий 37 штока 33 попадает в перепускной канал 39, где воздействует на тангенциально размещенные на внутренней поверхности полого цилиндра 32 лопатки 40, что приводит к вращению полого цилиндра 32 относительно штока 33. Поток жидкости с вращением опускается вниз по перепускному каналу 39, достигая нижнего ряда радиальных отверстий 38, через которые поток жидкости вновь попадает внутрь штока 33 ниже седла 35 и далее в проходной канал 34 ниже седла 35 штока 33, откуда поток жидкости попадает в продольное промывочное отверстие ловильного инструмента 41 и далее по межколонному пространству 44 (на фигурах 1 и 2 не показано) поднимается на поверхность и попадает в емкость 43. В дальнейшем цикл радиального вибрационного воздействия повторяется, как описано выше.
Циркуляцию жидкости по колонне труб 11 продолжают, при этом происходит пульсация жидкости, ведущая к дополнительной радиальной вибрации (помимо осевой вибрации, создаваемой на прихваченную колонну труб с устья скважины) непосредственно на место прихвата прихваченной колонны в скважине за счет того, что полый цилиндр 32 (см. фигуру 2) выполнен эксцентрично со смещенным центром тяжести относительно оси устройства, причем частота пульсаций прямо пропорциональна расходу жидкости. В результате вибратор радиального действия 31 совершает радиальные вибрационные колебания, что позволяет увеличить успешность ликвидации прихвата.
После освобождения прихваченного инструмента отмечается снижение веса колонны труб 11 на индикаторе веса, установленном на устье скважины, и колонна труб 11 с вибратором радиального действия и ловильным инструментом 41 с освобожденной прихваченной колонной труб извлекается из скважины.
Предлагаемое устройство обладает достаточной эффективностью при извлечении прихваченной колонны труб из скважины за счет возможности создания помимо осевых вибрационных колебаний радиальных вибрационных колебаний на прихваченную колонну труб непосредственно над местом прихвата, что позволяет успешно произвести ликвидацию прихвата независимо от его глубины в скважине.