УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ ОТ ПРОППАНТОВОЙ ПРОБКИ
METHOD FOR WELL CLEANING FROM PROPPANT PLUG

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для обработки скважин, при наличии плотных песчано-глинистых пробок в лифтовой колонне труб и стволе скважины в интервале перфорации.
Известно промывочное устройство (см. а.с. №1.043.289. Мкл. Е21В 21/00. Опубл. 23.09.83. Бюлл. №35). Устройство состоит из наземной и подземной внутрискважинной камеры.
Скважина оснащается двумя рядами труб, наружная - внешняя колонна труб подсоединена к крестовику - тройнику, с образованием наружной камеры, для осуществления обратной промывки, и для подъема пескосодержащей жидкости при прямой промывке.
Внутренняя труба снабжена при прямой промывке манжетами и клапаном для возможности переключения с прямой промывки на обратную.
Работа устройства.
При прямой промывке промывочная жидкость подается в межтрубное пространство и через клапан поступает в промывочные трубы и далее поднимается на поверхность. Переключением кранов на устье скважины осуществляют управление потоками промывочной жидкости.
Устройство позволяет проводить непрерывную прямую, обратную или комбинированную промывки песчаных пробок в нефтяных и газовых скважинах.
Недостаток конструкции устройства:
- необходимость наращивания двух колонн труб для обеспечения промывки и разрушения плотной песчано-глинистой пробки большой мощности;
- сложность установки внутренней колонны труб, оснащенной клапанами внутри внешней;
- разрушение плотной песчано-глинистой или проппантовой пробки осуществляется только за счет использования кинетической энергии струи рабочей жидкости.
Известно устройство для очистки скважины от песчаной пробки (см Пат. РФ №2.242.585. Мкл. Е21В 37/00; 21/00, опубл. 20.12.2004).
Устройство состоит из переходника, которым оно подсоединяется к нижнему концу гибкой колонны труб. К нижнему концу переходника подсоединена гильза, разъемный корпус и кожух.
Нижняя часть корпуса снабжена торцовыми зубьями. Кожух снабжен кольцевой проточкой с разрезным пружинным кольцом. Соосно в гильзе установлен механизм разрушения, в виде разъемного полого штока, снабженный кольцевым поршнем и коронкой. Разъемный полый шток образует с разъемным полым корпусом расширительную камеру и опирается на возвратную пружину. Верхняя торцовая поверхность разъемного полого штока выполнена в виде усеченного конуса и образует с седлом торцовый клапан. Коронка снабжена гидромониторной насадкой и имеет осевое дроссельное отверстие. Кольцевая камера связана радиальными отверстиями с общим осевым гидравлическим каналом. Площадь поперечного сечения кольцевой камеры равна площади сечения общего гидравлического канала.
Работа устройства.
Устройство через переходник подсоединяется к нижнему концу гибкой колонны труб и опускается в скважину на глубину образования песчано-глинистой пробки. Под избыточным давлением промывочная жидкость подается в устройство, с выходом струи из дроссельного отверстия и тангенциальных каналов гидромониторной насадки коронки, с воздействием струи на поверхность песчано-глинистой пробки.
Суммарный расход рабочей жидкости через дроссельное отверстие и тангенциальные каналы устройства принят меньше расхода, подаваемого в гибкую колонну труб с поверхности, что приводит к плавному росту давления в осевом канале.
При расчетном перепаде давления на кольцевом поршне возникает осевое усилие, воспринимаемое разрезным пружинным кольцом, которое деформируется в радиальном направлении, разъемный полый шток отрывается от седла, и рабочая жидкость поступает в расширительную камеру, с воздействием избыточным давлением на площадь кольцевого поршня. Это приводит к резкому перемещению механизма разрушения относительно гильзы и механическим ударным воздействиям зубьев коронки на песчано-глинистую пробку. Рабочая жидкость из расширительной камеры через циркуляционные отверстия в разъемном корпусе сбрасывается в межтрубное пространство, что приводит к сбросу давления в осевом канале гибкой колонны труб и возврату механизма разрушения предварительно сжатой пружиной в исходное положение. Подача рабочей жидкости в расширительную камеру прекращается, вновь происходит набор давления, и цикл повторяется.
Из практики проведения работ, связанных с разрушением и удалением плотных песчано-глинистых пробок из осевого канала лифтовой колонны труб и ствола скважины, с использованием колтюбинговой установки, пропускная способность гибкой колонны труб имеет ограничения по расходу. В связи с этим скорость восходящего потока рабочей жидкости в межтрубном пространстве недостаточна, чтобы обеспечить вынос механических частиц на поверхность, особенно при работе в стволе скважины, где площадь сечения достаточно велика.
Кроме того, конструкция устройства не позволяет его применять в скважинах с низким пластовым давлением, при обеспечении эффективного удаления механических частиц по лифтовой колонне труб, при обратной промывке.
Разработка конструкции устройства большего диаметра по данной конструктивной схеме может оказаться малоэффективной, если использовать его в составе лифтовой колонны труб, для промывки ствола скважины в интервале перфорации. Это связано с тем, что пропускная способность лифтовой колонны труб обычной конструкции намного превосходит пропускную способность гибкой колонны труб и обладает меньшим гидравлическим сопротивлением. В связи с этим сбросить давление в осевом канале лифтовой колонны труб для обеспечения возврата механизма разрушения в исходное положение становится проблематичным.
Известно гидроударное устройство для разрушения плотных песчано-глинистых пробок, взятое авторами в качестве прототипа (см. «Проблемы капитального ремонта скважин и эксплуатации ПХГ» г. Ставрополь, 2001 г., вып.№34. Причины разрушения неустойчивых коллекторов и способы удаления песчаных пробок из скважины»).
Гидроударное устройство состоит из корпуса, связанного через переходник с компенсатором. Внутри разъемного корпуса установлен, с опорой на пружину, полый шток с кольцевым поршнем. На нижнем конце полого штока закреплен переходник, связанный, в свою очередь, с удлинителем, входящим в механизм разрушения. В осевом канале удлинителя установлено седло, в осевой канал пропущен толкатель, опирающийся на посадочное место в седло и проходящий через посадочную втулку. Удлинитель через переходник связан с коронкой, снабженной зубьями на торцовой части, обращенной в сторону поверхности песчаной пробки.
В осевом канале переходника установлен подпружиненный клапан, связанный с полым штоком, проходящим через тело коронки и снабженным внутренней коронкой с дроссельным отверстием. Полый шток снабжен торцовым клапаном, которым он опирается на седло, с возможностью охвата нижнего конца толкателя. Осевой канал переходника гидравлически связан калиброванными отверстиями в теле седла с внутренней полостью удлинителя.
Во внешней коронке также выполнены калиброванные каналы, гидравлически соединяющие внутреннюю полость удлинителя с его внешней стороной. В теле корпуса выполнена кольцевая проточка, снабженная разрезным пружинным кольцом, охватывающим полый шток и входящим в проточку на его теле. Осевой канал гибкой колонны труб постоянно гидравлически связан с осевым каналом гидроударного устройства.
Работа гидроударного устройства.
На гибкой колонне труб осуществляется спуск устройства в скважину, до уровня расположения песчано-глинистой пробки, с опорой на нее зубьями внешней коронки. Размер дроссельных отверстий в теле седла определен исходя из возможности пропуска части расхода рабочей жидкости, подаваемой с поверхности.
С заданным расходом рабочая жидкость проходит через калиброванные отверстия в теле внешней коронки и воздействует на поверхность плотной песчано-глинистой пробки. При этом происходит плавный рост давления в осевом канале полого штока гидроударного устройства, воспринимаемое кольцевым поршнем, которое через проточку на теле полого штока воспринимается разрезным пружинным кольцом. При определенном перепаде давления разрезное пружинное кольцо деформируется в радиальном направлении, и механизм разрушения резко перемещается вниз, с воздействием зубьями внешней коронки на поверхность песчано-глинистой пробки. В этом положении происходит еще больший набор давления, которое воздействует на площадь сечения толкателя в осевом канале устройства, и сообщается торцовому клапану. Торцовый клапан отрывается от поверхности седла и избыточным давлением рабочей жидкости резко перемещается вниз, с воздействием зубьями внутренней коронки на песчано-глинистую пробку. При этом открывается гидравлическая связь осевого канала удлинителя с осевым каналом полого штока, что приводит к резкому сбросу давления внутри корпуса гидроударного устройства и возврату усилием сжатой пружины полого штока ударного механизма и полого штока с торцовым клапаном в исходное положение, с повторением процесса работы.
К недостаткам гидроударного устройства следует отнести:
- сложность настройки конструкции на последовательное срабатывание для работы внешней коронкой, а затем внутренней, для чего необходимо подобрать жесткость разрезного пружинного кольца и возвратных пружин;
- из-за малой расчетной пропускной способности калиброванных каналов в теле внешней коронки отсутствует возможность осуществления обратной промывки, необходимость в которой существует при оснащении лифтовой колонны труб данным устройством и подачей механических частиц восходящим потоком рабочей жидкости на поверхность;
- работоспособность устройства гидроударного напрямую зависит от возможности резкого сброса давления в лифтовой колонне труб, при увеличенном расходе через устройство, при прямой подаче рабочей жидкости.
Необходимость прямой и обратной промывки возникает в случае работы в скважине с аномально-низким пластовым давлением и наличием поглощения рабочей жидкости, что не позволяет обеспечить эффективный подъем механических частиц по межтрубному пространству из-за недостаточной скорости потока рабочей жидкости.
Переход на обратную промывку позволяет значительно повысить скорость восходящего потока с соответствующим повышением эффективности удаления механических частиц.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- повышение эффективности разрушения и удаления плотных песчано-глинистых и проппантовых пробок в осевом канале ствола скважины при АНПД;
- возможность осуществления обратной промывки скважины через устройство гидроударное, с обеспечением эффективной подачи механических частиц потоком рабочей жидкости по лифтовой колонне труб на поверхность;
- возможность обеспечения возвратно-поступательного перемещения механизма разрушения гидроударного устройства при использовании лифтовой колонны труб увеличенного размера.
Технический результат достигается с помощью предлагаемого изобретения - устройства для очистки скважины от песчаной пробки, состоящее из корпуса, связанного через гидроцилиндр с компенсатором, механизма разрушения, включающего разъемный корпус, в осевом канале которого последовательно установлены шайба дроссельная с дроссельным каналом, седло с осевым каналом и продольными пазами на внешней стороне, толкатель с торцовым клапаном в осевом канале, установленным с возможностью взаимодействия с торцом седла снизу и снабженного трубкой с внутренней коронкой с осевым отверстием. Разъемный корпус снабжен внешней коронкой и регулировочной гайкой с калиброванными отверстиями, разрезным пружинным кольцом в кольцевой проточке. Внутренняя полость разъемного корпуса образует с торцовым клапаном и полой трубкой кольцевую камеру, гидравлически связанную калиброванными отверстиями с полостью скважины, гидравлический канал гидроударного устройства постоянно связан с полостью лифтовой колонны труб, механизм управления выполнен в виде перегородки с дроссельным каналом и обратным клапаном в осевом канале, толкатель выполнен полым и снабжен обратным клапаном, установленным в осевом канале шайбы дроссельной, причем площадь поперечного сечения дроссельного канала перегородки принята больше, чем суммарная площадь поперечного сечения дроссельного канала шайбы дроссельной, а суммарная площадь калиброванных отверстий в регулировочной гайке и осевом отверстии внутренней коронки принята больше площади поперечного сечения дроссельного канала перегородки механизма управления.
Анализ изобретательского уровня, проведенный по патентной и научно-технической литературе, показал следующее:
- нами не выявлено технических решений, имеющих в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения, а именно особенностями конструкции толкателя, входящего в механизм разрушения.
Для обеспечения возвратно-поступательного перемещения механизма разрушения в случае использования устройства в составе насосно-компрессорных труб осевой канал лифтовой колонны труб оснащается перегородкой с дроссельным каналом, поскольку гидравлическое сопротивление осевого канала лифтовой колонны труб намного меньше гидравлического сопротивления осевого канала гибкой безмуфтовой колонны труб. Для обеспечения пропуска рабочей жидкости через гидравлическое устройство и через перегородку в осевом канале лифтовой колонны труб при обратной промывке толкатель и перегородка оснащается обратными клапанами для обеспечения свободного пропуска рабочей жидкости с механическими частицами по лифтовой колонне труб на поверхность.
Таким образом, достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами частей рассматриваемого устройства и связями между ними. Изобретение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательского уровня.
Конструкция устройства для очистки скважины от песчаной пробки поясняется чертежами, где:
На фиг.1 показана конструкция гидроударного устройства в исходном положении в разрезе,
- на фиг.2 - конструкция гидроударного устройства в составе лифтовой колонны труб с дроссельной шайбой,
- на фиг.3 - конструкция гидроударного устройства в положении срабатывания механизма разрушения - удар внешней коронкой при прямой подаче рабочей жидкости.
- на фиг.4 - взаимное положение деталей гидроударного устройства при срабатывании - ударе внутренней коронки при прямой подаче рабочей жидкости,
на фиг.5, 6 - взаимное положение конструктивных элементов гидроударного устройства и дроссельной шайбы при обратной промывке скважины.
Устройство для очистки скважины от песчаной пробки состоит из гидроударного устройства на нижнем конце лифтовой колонны труб и механизма управления в виде перегородки в осевом канале, установленной на расчетном расстоянии.
Гидроударное устройство состоит из корпуса 1, связанного через гидроцилиндр 2 с соединительным патрубком 3 с кольцевым поршнем 4, который пропущен в осевой канал переходника 5 и образует с ним телескопическое соединение. Внутри гидроцилиндра 2 установлен кольцевой поршень 6, снабженный полым штоком 7, который образует подвижное соединение с корпусом 1 и опирается на пружину 8.
На внешней стороне полого штока 7 выполнена кольцевая проточка 9, а в теле корпуса 1 кольцевая проточка 10, в которой установлено разрезное пружинное кольцо 11.
Нижний конец соединительного патрубка 3 пропущен через осевой канал корпуса 1 и связан с разъемным корпусом 12 механизма разрушения.
В осевом канале разъемного корпуса 12 установлены последовательно шайба дроссельная 13 с осевым каналом 14, перекрытым в исходном положении головкой толкателя 15, поджимаемым к ней пружиной 16. В средней части разъемного корпуса 12 установлено седло 17, к торцу которого пружиной 18 прижат торцовый клапан 19, связанный трубкой 20 с внутренней коронкой 21.
Нижний конец толкателя 15 выходит за пределы седла 17 и охватывается телом торцового клапана 19.
Для регулировки усилия поджима торцового клапана 19 к седлу 17 пружиной 18 в разъемном корпусе 12 установлена регулировочная гайка 22, и он снабжен внешней коронкой 23. В осевом канале 24 толкателя 15 установлен обратный клапан, состоящий из седла 25, шара 26 и клетки 27, которая установлена с зазором в осевом канале 14 шайбы дроссельной 13.
Осевой канал 28 полого штока 7 постоянно гидравлически связан дроссельным каналом 29 в теле шайбы дроссельной 13 с кольцевой камерой 30, образованной внутренней поверхностью разъемного корпуса 12, наружной толкателя 15 и седлом 17, которая, в свою очередь, гидравлически связана через продольные пазы 31 в теле седла 17 с кольцевой камерой 32, между внутренней поверхностью разъемного корпуса 12, наружной поверхностью трубки 20 и регулировочной гайкой 22, в которой выполнены калиброванные отверстия 33, соединяющие кольцевую камеру 3 с полостью скважины. Осевой канал 24 толкателя 15 постоянно гидравлически связан с осевым каналом 34 трубки 20 и осевым отверстием 35 во внутренней коронке 21. В теле гидроцилиндра 2 в нижней части выполнено радиальное отверстие 36, соединяющее кольцевую камеру 37 под кольцевым поршнем 6 с полостью скважины.
На торцовых поверхностях внутренней 21 и внешней 23 коронок выполнены зубья для эффективного воздействия на поверхность песчаной пробки. Переходник 5 снабжен хвостовиком 38 для соединения с лифтовой колонной труб 39. Механизм управления установлен в осевом канале лифтовой колонны труб 39 (см. фиг.2) и выполнен в виде перегородки 40, в осевом канале которой установлен обратный клапан, включающий седло 41, шар 42 и клетку 43. В теле перегородки 40 выполнен гидравлический дроссельный канал 44, соединяющий осевой канал лифтовой колонны труб над ней с осевым каналом над устройством.
Для обеспечения работы устройства для очистки скважины от проппантовой пробки (далее - устройство) гидравлический дроссельный канал 44 в перегородке 40 имеет площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения дроссельного канала 29 в теле шайбы дроссельной 13.
Площадь поперечного сечения калиброванных отверстий 33 в теле регулировочной гайки 22 принята меньше площади поперечного сечения дроссельного канала 29.
В тоже время суммарная площадь калиброванных отверстий 35 в теле внутренней коронки 21 принята больше площади поперечного сечения гидравлического дросселирующего канала 44.
Работа устройства для очистки скважины от песчано-глинистой пробки осуществляется путем спуска его на лифтовой колонне труб 39, до уровня расположения песчано-глинистой пробки. Выше места установки устройства, в осевом канале лифтовой колонны труб устанавливают перегородку 40.
Подключают насосный агрегат к приемному коллектору лифтовой колонны труб 39 и осуществляют подачу рабочей жидкости с заданными технологическими параметрами по расходу и давлению нагнетания.
Рабочая жидкость подается через дроссельный канал 44 в осевой канал лифтовой колонны труб 39 над устройством и по осевому каналу полого штока 3 и полого штока 8 подается к дроссельному каналу 29, откуда подается в кольцевую камеру 30 и через продольные пазы 31 в теле седла 17 в кольцевую камеру 32 и далее через калиброванные отверстия 33 в регулировочной гайке 22 подается в скважину, с воздействием на поверхность песчаной пробки. Поскольку суммарная площадь поперечного сечения калиброванных отверстий 33 принята меньше, чем площадь поперечного сечения дроссельного канала 44, то в осевом канале лифтовой колонны труб 39 ниже места установки перегородки 40 и в осевом канале 28 устройства происходит рост давления.
Избыточное давление рабочей жидкости воспринимается площадью поперечного сечения кольцевого поршня 6 внутри гидроцилиндра 2 и через полый шток 7 замыкается на разрезном пружинном кольце 11, которое при определенном осевом усилии деформируется в радиальном направлении внутрь кольцевой расточки 10.
Это приводит к резкому перемещению кольцевого поршня 6, связанного через полый шток 7 с механизмом разрушения, с обеспечением сжатия пружины 8 и воздействием зубьями внешней коронки 23 на поверхность песчаной пробки.
При дальнейшем росте давления на величину порядка ΔР=0,2-0,5 МПа последнее воспринимается толкателем 15, что приводит к его отрыву от торца шайбы дроссельной 13 и входу в торцовый контакт с торцовым клапаном 19, который выходит из взаимодействия с седлом 17, с образованием кольцевого зазора, в который подается под избыточным давлением рабочая жидкость, воздействующая на площадь поперечного сечения торцового клапана 19 толкателя 15, который резко перемещается вниз, с воздействием зубьями внутренней коронки 21 на поверхность песчаной пробки и сжатием пружины 18.
При подаче рабочей жидкости в осевой канал 34 трубки 20 последняя воздействует на поверхность песчаной пробки, и поскольку суммарный расход рабочей жидкости через осевое отверстие 35 и калиброванные отверстия 33 превосходит расход рабочей жидкости через дроссельный канал 44, то происходит падение давления внутри осевого канала лифтовой колонны труб 39 под перегородкой 40 и в устройстве. Это приводит к возврату механизма разрушения в исходное положение, с вводом разрезного пружинного кольца 11 в кольцевую проточку 9 на теле полого штока 7. Усилием сжатой пружины 18 торцовый клапан 19 садится на поверхность седла 17 с прекращением подачи рабочей жидкости по осевому каналу 34 трубки 20. Толкатель 15 усилием сжатой пружины 16 вводится в торцовый контакт с шайбой дроссельной 13. Процесс работы повторяется в соответствии с описанным ранее. При прямой подаче рабочей жидкости обратные клапаны на перегородке 40 и толкателе 15 находятся в закрытом состоянии.
Применение устройства заявляемой конструкции позволит улучшить процесс разрушения плотных песчано-глинистых пробок за счет гидравлического воздействия импульсной струей рабочей жидкости переменного расхода прямой промывкой разрушением и удалением механических частиц обратной промывкой, при наличии АНПД. Разработана конструкция гидроударного устройства марки УГ-100 для работы с насосно-компрессорной трубой Ду=73 мм.
При отсутствии выноса механических частиц на поверхность по межтрубному пространству скважины, что возможно при низком пластовом давлении и частичном поглощении рабочей жидкости, переходят на обратную промывку.
В этом случае осуществляют переключение насосного агрегата на подачу рабочей жидкости в межтрубное пространство скважины, с возвратом на поверхность через гидроударное устройство и механизм управления по лифтовой колонне труб.
Поток рабочей жидкости с механическими частицами проходит последовательно через осевое отверстие 35 внутренней коронки 21, осевому каналу 34 трубки 20 торцового клапана 15, осевому каналу 24 толкателя 15, с подъемом шара 26 над седлом 25 и выходом в осевой канал 28 полого штока 7. Далее рабочая жидкость поступает в осевой канал лифтовой колонны труб 39 под перегородкой 40, отрывает шар 42 от седла 41 в данной перегородке 40 и далее поднимается на поверхность по лифтовой колонне труб 39.
При работе устройства для очистки скважины от песчаной пробки в момент спуска в скважину существует вероятность жесткого контакта зубьями внутренней 21 и внешней 23 коронок с ее поверхностью. Для смягчения взаимодействия устройства при спуске и опоре на поверхность песчаной пробки предусмотрена компенсационная пружина, охватывающая полый шток 3, которая при перемещении гидроцилиндра 2 и корпуса 1 вверх сжимается и гасит ударные нагрузки.