АВТОСЦЕП

Полезная модель относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использована в нефтедобывающем оборудовании, в особенности для добычи вязких и засоренных сортов нефти.
Автосцепом называется устройство, которое выполняет функцию соединения в скважине плунжера погружного насоса с колонной штанг и функцию разъединения колонны штанг и плунжера также в скважине при необходимости подъема насоса для его замены или ремонта.
Известно множество устройств, которые выполняют только одну из этих функций. Например, функцию соединения выполняют устройства, описанные в патентах РФ №№2167995, 2167996, 2167997 (МПК Е21В 17/00, опуб. 27.05.2001) и предназначенные для соединения устьевого штока с колонной насосных штанг. Они содержат захватный элемент (ловушку), имеющий средства захвата и удержания насосной штанги. Функцию разъединения они не выполняют, поэтому для разъединения необходимо предусматривать дополнительные средства.
Известно устройство для соединения колонны насосных штанг с плунжером глубинного насоса (патент РФ №2213260, F04B 47/00, опуб. 27.09.2003), содержащее корпус и замок с подпружиненной втулкой. Замок выполнен в виде двух входящих в зацепление деталей, при этом выступы на поверхности одной из деталей входят в углубления на поверхности другой детали. Подпружиненная втулка охватывает введенные в зацепление детали, а проходной канал корпуса в верхней части выполнен суженным для взаимодействия с подпружиненной втулкой при отцеплении колонны штанг. Несмотря на название, это устройство выполняет только функцию расцепления для извлечения из скважины, а для автоматического соединения в скважине надо использовать дополнительное устройство.
Известно устройство для разъединения труб в скважине (а.с. СССР 972044, Е21В 33/14, опуб. 07.11.1982), содержащее корпус, патрубок для соединения со спускаемыми трубами, связанный с корпусом срезными штифтами, а также шаровой затвор с хвостовиком, жестко связанным с корпусом. Недостатком является то, что монтаж устройства производят до погружения, невозможно осуществить соединение внутри скважины.
Известен разъединитель (патент РФ №2231617, МПК Е21В 17/06, опуб. 27.06.2004), который предназначен в основном для отсоединения свободной части колонны труб от части, прихваченной в скважине. В устройстве корпус соединен с переходником при помощи штифтов, поджатых пружинами. Штифты в результате воздействия на пружины смещаются из фиксирующего положения и позволяют колонне труб разъединиться. Монтаж устройства производят до погружения, невозможно осуществить соединение внутри скважины. Другим его недостатком является то, что при попадании внутрь устройства нефти, особенно густой и с примесями, штифты могут не уйти из фиксирующего положения, а их срез не предусмотрен.
Известен отсоединитель буровых штанг (патент РФ №2286434, МПК Е21В 17/043, опуб. 27.10.2006). Он соединен с колонковым набором и включает корпус, элемент зацепления, жестко соединенный с корпусом, переходник, вал с левой резьбой крупного шага, жестко соединенный с корпусом фиксирующими элементами. Переходник жестко соединен с колонковым набором и валом с левой резьбой крупного шага. Элемент зацепления выполнен в виде муфты зацепления. На ее нижнем торце имеется выступ, а на верхнем торце выполнены сегменты. Фиксирующие элементы выполнены в виде штифтов, которые срезаются при достаточном осевом усилии, после чего муфта зацепления выходит из переходника. Монтаж устройства производят до погружения, невозможно осуществить соединение внутри скважины.
Известны также устройства, выполняющие обе функции.
Устройство для соединения глубинно-насосных штанг с плунжером трубного насоса (а.с. СССР №218666, Е05В, опуб. 22.08.1968) содержит корпус, цангу и стопорящее ее устройство, а также свободно плавающую захватную цангу, взаимодействующую с концом захватываемой штанги и цангой, соединенной с плунжером, а стопор выполнен в виде подпружиненной втулки с конической внутренней поверхностью. Разъединение осуществляется в результате подъема колонны штанг. Недостаток заключается в том, что из-за коррозии и засоренности соединения после длительной эксплуатации разъединение может не произойти.
Известно устройство для соединения штанг с подземным оборудованием в скважине (а.с. СССР №283122, Е21В 43/00, опуб. 02.03.1971), включающее захватный наконечник, выполненный в виде фигурной стержневой детали с конусными поверхностями в средней и нижней частях, узел сцепления, состоящий из приспособления для ориентации захватного наконечника, корпус с конусными приливами, взаимодействующими со средней конусной поверхностью захватного наконечника, переводника, толкателя, фиксатора, расположенного концентрично в
переводнике и взаимодействующего верхним концом с переводником, а нижним - с толкателем. Фиксатор выполнен в виде подпружиненных сверху, подвижных в вертикальном и радиальном направлениях самоустанавливающихся вкладышей, верхняя часть которых взаимодействует с нижней конусной поверхностью захватного наконечника. Недостатками является сложность конструкции и возможность проблем при разъединении после длительной эксплуатации из-за коррозии и засоренности.
Известно устройство для соединения плунжера глубинного насоса с колонной штанг (а.с. СССР №441395, Е21В 43/00), включающее корпус с концентрично расположенной в нем муфтой, патрубок, захватную цангу, шток, отжимную втулку, кольцо, пружину и направляющий переводник. Для повышения надежности отжимная втулка выполнена с продольными прорезями, а шток - со ступенчатыми выступами, размещенными в прорезях втулки. Отцепление происходит в результате подъема штанг. Недостатками является сложность конструкции и возможность проблем при разъединении после длительной эксплуатации из-за коррозии и засоренности.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является автосцеп («tool, on and off, assembly, 790»), описанный в каталоге «Sub-Surface Pumps», выпущенном фирмой Harbison-Fisher в 1992-93 г.г. (лист Т-1, 02-00, копия прилагается). Автосцеп содержит корпус, с которым резьбой соединена пробка (connector). Пробка имеет вторую резьбу для соединения с колонной штанг. В корпусе размещены замок с овальным замковым отверстием (пазом), толкатель (follower) с направляющими и пружина. Описанные выше части автосцепа в целом составляют ловушку. Имеется также зацеп (lock) с Т-образным выступом, который может запираться в замковом отверстии в результате поворота зацепа относительно корпуса на 90°. В нижней части зацеп имеет средства для соединения с переходником плунжера (штока) насоса. Имеется также стопор.
Перед спуском насоса в скважину на плунжер насоса накручивают зацеп. Насос опускают в скважину на насосно-компрессорных трубах. Ловушку автосцепа свинчивают со штангой и опускают в скважину. После того, как ловушка достигает зацеп, штанги поворачивают вправо так, чтобы Т-образный выступ зацепа вошел в замковое отверстие корпуса. Затем поворачивают штанги на 1/8 оборота в обратном направлении, в результате чего корпус поворачивается относительно зацепа, а выступ запирается в корпусе. Пружина препятствует самопроизвольному разъединению. Для разъединения автосцепа с него снимают осевую нагрузку и поворачивают колонну до упора в стопор, тогда Т-образный выступ зацепа совпадает с положением прохода, пружина давит на толкатель и выталкивает зацеп из ловушки. Сцепление размыкается.
Недостаток этой конструкции заключается в том, что при длительном нахождении автосцепа в скважине при эксплуатации насоса возможно повреждение опорных поверхностей выступа зацепа и корпуса в связи с коррозией и возможным наклепом при возвратно-поступательном движении колонны штанг при работе насоса. В этом случае возрастает момент трения между опорными поверхностями Т-образного выступа зацепа и корпуса автосцепа. Если этот момент трения больше момента трения плунжера насоса, то при повороте колонны штанг будет поворачиваться и плунжер насоса. В этом случае расцепление невозможно, что приводит к большим затруднениям при подъеме насоса. Возможен обрыв штанг или разрушение плунжера невставного насоса.
Задачей полезной модели является усовершенствование автосцепа, выполняющего функции соединения и разъединения колонны штанг и плунжера насоса, в направлении уменьшения таких повреждений штанг и/или насоса при их разъединении, которые могут возникнуть в результате того, что при причине длительной эксплуатации в тяжелых условиях взаимодействующие поверхности повреждены и зацеп не может выйти из ловушки.
Задача решается с помощью автосцепа, состоящего из соединяемого с насосом зацепа, снабженного замковым выступом, и ловушки, содержащей корпус с овальным замковым пазом под упомянутый замковый выступ, толкатель, направляющие средства, пружинный элемент, пробку, соединенную с корпусом и снабженную средством соединения со штангой, отличающегося тем, что пробка соединена с корпусом с помощью фиксирующего элемента, разрушающегося при нагрузке, превышающей определенную величину.
Фиксирующий элемент может быть выполнен в виде штифта, закрепленного в отверстиях корпуса и пробки, а толщина штифта определяется определенной величиной нагрузки, при которой он должен быть срезан.
Упомянутый корпус имеет на внутренней поверхности винтовую нарезку, переходящую в упомянутый овальный замковый паз, толкатель имеет винтовую нарезку направления, противоположного направлению винтовой нарезки внутренней поверхности корпуса, а упомянутый выступ зацепа выполнен с возможностью скольжения по упомянутым нарезкам.
Упомянутыми направляющими средствами являются шарики, помещенные в радиальную расточку упомянутого толкателя, и пазы в корпусе.
Упомянутый пружинный элемент может быть выполнен в виде двух пружин.
Технический результат заключается в том, что если автосцеп не может разомкнуться нормальным образом, при увеличении нагрузки свыше заранее
определенной величины происходит разрушение фиксирующего элемента (срез штифта), благодаря чему исключаются повреждения штанг и/или насоса.
Предлагаемая полезная модель поясняется фигурами.
На фиг.1 показаны два вида автосцепа в разрезе.
На фиг.2 изображены три вида корпуса автосцепа.
На фиг.3 изображены три вида зацепа.
На фиг.4 изображены три вида толкателя.
Предлагаемый автосцеп состоит из ловушки и зацепа 6. Ловушка - это совокупность деталей. Ловушка содержит пробку 1, пружинный элемент, выполненный в виде двух пружин 2 и 3, толкатель 4, корпус 5. Пробка 1 снабжена средством соединения со штангой (этим средством может быть резьба).
Корпус 5 имеет на своей внутренней поверхности винтовую нарезку 13 крупного шага (например, с шагом 40-70 мм левого направления), переходящую в овальный замковый паз 12, образующий замковую часть корпуса 5. Толкатель 4 на нижней поверхности имеет винтовую нарезку 14 крупного шага, но направления, противоположного направлению винтовой нарезки внутренней поверхности корпуса 5 (соответственно правого).
Зацеп 6 снабжен замковым выступом 7 Т-образного профиля, способным входить в овальный замковый паз 12 корпуса 5 и фиксироваться в пазе 12 после поворота (на 90°). Выступ 7 (его верхняя поверхность) выполнен с возможностью скольжения по винтовым нарезкам 13 и 14. Зацеп 6 соединяется с насосом при помощи резьбы 9, находящейся в нижней части зацепа 6.
Чтобы толкатель 4 не проворачивался относительно корпуса 5, имеются направляющие средства, которыми являются шарики 10, помещенные в радиальную расточку толкателя 4, и пазы 11 в корпусе 5 (на внутренней поверхности корпуса 5 в зоне возможного перемещения толкателя 4). Направляющие средства позволяют толкателю 4 перемещаться в корпусе 5 вдоль оси, но препятствуют повороту относительно корпуса 5.
Выполнение пружинного элемента в виде двух пружин 2 и 3 позволяет увеличить усилие при выталкивании зацепа из ловушки при сохранении небольшого диаметра пружинного элемента. Пружины 2 и 3 нагружают толкатель 4 различным усилием в зависимости от его положения. Они выбирают люфт автосцепа.
Пробка 1 соединена с корпусом 5 с помощью фиксирующего элемента, разрушающегося при нагрузке, превышающей определенную величину. Фиксирующий элемент может быть выполнен в виде штифта 8, закрепленного в отверстиях корпуса 5 и
пробки 1, а толщина штифта определяется определенной величиной нагрузки, при которой он должен быть срезан.
Автосцеп работает следующим образом.
Для осуществления соединения производят сборку ловушки, т.е. помещают в корпус 5 толкатель 4 с шариками 10, пружины 2 и 3 и с помощью штифта 8 соединяют корпус 5 и пробку 1. Перед спуском в скважину насоса на плунжер (шток) насоса навинчивают зацеп 6. Насос с зацепом 6 опускают в скважину на насосно-компрессорных трубах. Пробку 1 свинчивают со штангой, которую первой опускают в скважину. В скважине ловушка, достигнув уровня насоса, попадает на зацеп 6. Отверстие корпуса 5 опускается на выступ 7 зацепа 6. Поверхность винтовой нарезки 13 корпуса 5 взаимодействует с поверхностью выступа 7. Это закручивает колонну штанг в пределах упругой деформации, пока выступ 7 зацепа 6 не пройдет в овальный замковый паз 12 и не упрется в толкатель 4. После того, как выступ 7 пройдет через паз 12, под воздействием упруго закрученных штанг, которые стремятся раскрутиться в обратном направлении, поверхность винтовой нарезки 14 толкателя 4 скользит по поверхности выступа 7. Таким образом, корпус 5 поворачивается относительно зацепа 6, и выступ 7 запирается. После этого пружины 2 и 3 сжаты с усилием, препятствующим самопроизвольному разъединению автосцепа.
Для разъединения автосцепа с него снимают осевую нагрузку, приподнимая колонну наземным подъемником с усилием больше веса штанг (на 500-1000 кг), и поворачивают колонну штанг специальным ключом (по часовой стрелке).
Если внутри автосцепа взаимодействующие поверхности не подверглись коррозии и внутреннее пространство корпуса 5 не очень засорено, так что возможен поворот корпуса 5 относительно зацепа 6, тогда корпус 5 поворачивается. Когда овальный паз 12 совпадает с выступом 7 зацепа 6 (положением прохода), пружины 2 и 3, действуя на толкатель 4, выталкивают зацеп 6 из ловушки. Сцепление размыкается, а на поверхности отмечается снижение нагрузки на подъемнике.
Если внутреннее пространство корпуса 5 сильно засорено или поверхности подверглись коррозии или деформировались, размыкание путем выхода зацепа 6 из ловушки невозможно. В таком случае еще увеличивают усилие подъемника штанг на величину, при которой фиксирующий элемент (штифт 8) разрушается. При приложении к автосцепу осевой нагрузки заранее определенной величины (вес штанг плюс заранее рассчитанное усилие среза штифта), необходимой для среза штифта 8, последний срезается. Пробка 1 отсоединяется от корпуса 5. Разъединение пробки 1 и корпуса 5
отмечается на поверхности как резкое снижение усилия подъемника штанг. Штанги вынимают вместе с пробкой 1, а насос - с остальными деталями автосцепа.
После того, как устройство поднято на поверхность, автосцеп отсоединяют от насоса и производят промывку и разборку автосцепа, зачистку опорных поверхностей корпуса 5 и зацепа 6.
Для повторной эксплуатации отремонтированный автосцеп собирают с заменой штифта 8 и используют снова, как было описано выше.
Пример расчета величины нагрузки, при которой штифт 8 должен быть срезан:
2
2
2
Используется штифт 8 с диаметром d=8 мм, его площадь среза S=πd/4=50,2 мм. Для стали 35 временное сопротивление разрыву равно σ=54 кг/мм. Усилие среза равно Q=2 S σ=5426 кг.
2
2
Диаметр штанги НШ19 равен 19 мм, временное сопротивление материала штанги равно 58 кг/мм. Усилие разрыва штанги равно (π19/4)·58=16436 кг.
Усилие разрушения плунжера насоса составляет 18000 кг.
Таким образом, в этом примере для среза штифта 8 надо создать усилие подъемника штанг примерно на 5500 кг больше веса штанг. При этом разрушение штанг и плунжера насоса невозможно.