УСТЬЕВОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСВОБОЖДЕНИЯ КОЛОННЫ ТРУБ ИЗ СКВАЖИНЫ
WELLHEAD FACILITY FOR EXTRACTING PIPE STRING FROM BOREHOLE

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, в частности к устьевым устройствам для освобождения аварийной колонны труб, прихваченной в скважине.
Известна устьевая установка генерации и передачи акустической энергии для освобождения прихваченной колонны труб в буровой скважине (US 4429743, Е21В 37/08; Е21В 41/00, опубл. 07.02.1974 г.), включающая орбитальный массовый генератор, предназначенный для генерации акустической энергии с резонатором, соединенный на устье с колонной труб, подъемник и демпфер, установленный между генератором и подъемником и выполненный в виде поршневого вертикального амортизатора, заполненного жидкостью или газожидкостной смесью.
Недостатками данной устьевой установки являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей;
- во-вторых, высокая стоимость изготовления и металлоемкость (орбитальный массовый генератор предназначен для генерации акустической энергии с резонатором).
Наиболее близким по технической сущности является 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 данной устьевой установки являются:
- во-первых, нет регулировки усилия вибрационных колебаний в процессе освобождения прихваченной колонны труб.
- 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.
Задачей изобретения является возможность создания регулируемых усилий без ударных вибрационных колебаний на прихваченную колону труб, а также снижение стоимости его изготовления.
Поставленная задача решается устьевым устройством для освобождения колонны труб из скважины, включающим демпфер, установленный между подъемником и генератором вертикальных импульсов, который снизу соединен с колонной труб.
Новым является то, что 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 генератором гидравлических импульсов, 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 генератором гидравлических импульсов, установлен в боковом канале проходного патрубка и выполнен с возможностью сообщения этого патрубка с буферной емкостью при достижении внутри патрубка, соответственно, в генераторе гидравлических импульсов и трубчатом корпусе давления, превышающего давление открытия предохранительного клапана, при этом отверстия прямого, обратного и предохранительного клапанов снабжены штуцерами, а пружины прямого, обратного и предохранительного клапанов поджаты регулировочными винтами, позволяющими изменять в широком диапазоне давления срабатывания клапанов.
На чертеже изображено предлагаемое устьевое устройство для освобождения колонны труб из скважины в продольном разрезе.
Устьевое 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.
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).
n
n
n
n
n
n
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 генератором гидравлических импульсов 14 (например, выполненным в виде поршневого насоса типа ЦА-320 со снятыми двумя всасывающими и одним нагнетательным клапанами).
n
n
n
Подпоршневые полости 12…12 силовых цилиндров 7…7 сообщены между собой, а также через распределитель 15 и предохранительный клапан 16 с генератором гидравлических импульсов 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 генератора гидравлических импульсов 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.
Предохранительный клапан 16 подпружинен пружиной 16', размещен между распределителем 15 и генератором гидравлических импульсов 14 и установлен в боковом канале 28, перекрывая отверстие 29 проходного патрубка 30, и выполнен с возможностью сообщения проходного патрубка 30 посредством линии 31 с буферной емкостью 17, при достижении внутри патрубка 30, соответственно, в генераторе гидравлических импульсов 14 и в трубчатом корпусе, выполненном в виде генератора вертикальных импульсов 3, давления, превышающего давление открытия предохранительного клапана 16.
В отверстии 26 прямого клапана 22 и отверстии 27 обратного клапана 23, а также в отверстии 29 проходного патрубка 30 соответственно установлены штуцеры 32, 33 и 34. Кроме того, пружины 24 прямого клапана 22 и 25 обратного клапана 23, а также пружина 16' предохранительного клапана оснащены соответственно регулировочными винтами 35, 36 и 37.
Несанкционированные перетоки жидкости исключаются уплотнительными элементами 38, 39, 40,41.
Практическим путем установлено, что при пропускном отверстии штуцера 20 мм давление срабатывания клапанов при ввернутом на три витка и полностью ввернутом регулировочном винте изменяется в пределах 100 атм=10 МПа.
Устьевое устройство для освобождения колонны труб из скважины работает следующим образом.
Устройство собирают на устье скважины, как показано на чертеже, при этом в зависимости от требуемого усилия, необходимого для освобождения прихваченной колонны труб, производят настройку прямого 22, обратного 23 и предохранительного 16 клапанов, то есть путем заворота (отворота) соответствующих регулировочных винтов 35, 36 и 37 устанавливают расчетное давление срабатывания на каждом из клапанов 22, 23 и 16.
п
п
max
Например, гидравлическое давление срабатывания прямого клапана Р=1 атм=0,1 МПа; и гидравлическое давление срабатывания обратного клапана Р=60 атм=6 МПа, а также гидравлическое давление открытия предохранительного клапана P=150 атм=15,0 МПа. С помощью подъемника 2 (см. чертеж) производят натяжку устройства и, соответственно, прихваченной в скважине колоны труб 11.
Приводят в действие генератор гидравлических импульсов 14.
п
В процессе работы поршни (не показаны) генератора гидравлических импульсов 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 штуцер 33, установленный в отверстии 26 прямого клапана 22, отжав его пружину 24 (при достижении гидравлического давления Р=1 атм=0,1 МПа в камере 20 распределителя 15), попадает в камеру 19 распределителя 15, из которой посредством гидравлической линии 42 нагнетается генератором гидравлических импульсов 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 генератором гидравлических импульсов 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 происходит до тех пор, пока не сработает предохранительный клапан 16. Это происходит при P=150 атм=15 МПа, что контролируется манометром 43 и соответствует окончанию нагнетания рабочей жидкости в силовые цилиндры 7…7.
max
max
max
n
После срабатывания (открытия) предохранительного клапана 16 (при достижении P=150 атм=15 МПа) рабочая жидкость, отжав пружину 16', перетекает через штуцер 34 отверстия 29 в проходном патрубке 30 в боковой канал 28 и оттуда по линии 31 рабочая жидкость попадает в буферную емкость 17, при этом давление в предохранительном клапане 16 и линии 31, связанной с буферной емкостью 17, будет более Р=150 атм=15 МПа. Это продолжается до тех пор, пока поршни в генераторе гидравлических импульсов 14 не переместятся слева направо до своего крайнего правого положения, при этом давление в нагнетательной линии 35 и, соответственно, внутри силовых цилиндров 7…7 не будет превышать P=150 атм=15 МПа, что контролируется по показаниям манометра 43.
Далее направление перемещения поршней генератора гидравлических импульсов 14 меняется на противоположное (справа налево). Объем поршневой полости (не показано) начинает увеличиваться, и предохранительный клапан 16 закрывается, то есть занимает первоначальное положение (см. чертеж).
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 42 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. чертеж) и происходит гашение усилия, направленного вверх, воспринимаемого подъемником 2.
Достигнув распределителя 15, рабочая жидкость сначала попадает в камеру 19 распределителя 15, откуда через штуцер 32, установленный в отверстии 27 обратного клапана 23, отжав его пружину 25, попадает в камеру 20 распределителя 15, откуда перетекает в поршневую полость генератора гидравлических импульсов 14, поскольку поршни последнего перемещаются слева направо, вследствие чего увеличивается объем поршневой полости генератора гидравлических импульсов 14.
n
n
п
Перетекание рабочей жидкости из подпоршневых полостей 12'…12 гидроцилиндров 7'…7 по гидравлической линии 42 в распределитель 15 и из распределителя 15 в поршневую полость генератора гидравлических импульсов 14 прекращается при закрытии обратного клапана 23 в момент достижения в камере 19 распределителя 15 гидравлического давления Р=60 атм=6 МПа.
max
Таким образом, в гидравлической системе «насос-распределитель-силовые гидроцилиндры» гидравлическое давление не снижается ниже 6 МПа, что позволяет находиться прихваченной колонне труб 11 в натянутом положении, то есть не разгружать вес колонны до нуля, поэтому импульс усилия всегда направлен вверх, а предохранительный клапан 16 исключает резкое повышение давления выше максимально допустимого P=150 атм=15 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 воздействия на прихваченную колонну труб 11.
При необходимости в любой момент в процессе освобождения при наличии циркуляции можно произвести промывку прихваченной колонны труб 11 через тройник 10.
В случае безуспешного освобождения прихваченной колонны труб производят перенастройку прямого 22, обратного 23 и предохранительного 16 клапанов непосредственно на устье путем заворота (отворота) соответствующих регулировочных винтов 35, 36 и 37, тем самым перенастраивают расчетное давление срабатывания каждого из клапанов 22, 23 и 16.
п
п
max
Например, гидравлическое давление срабатывания прямого клапана Р=3 атм=0,3 МПа и гидравлическое давление срабатывания обратного клапана Р=80 атм=8 МПа, а также гидравлическое давление открытия предохранительного клапана P=220 атм=22,0 МПа. Таким образом, увеличивается усилие вибрационных колебаний, прилагаемых к освобождаемой колонне труб 11.
В дальнейшем весь выше описанный цикл работы устройства повторяется до освобождения прихваченной колонны труб 11.
Предлагаемое устьевое устройство для освобождения колонны труб из скважины позволяет производить регулировку прямого, обратного, предохранительного клапанов в широком диапазоне давлений непосредственно в процессе освобождения прихваченной колонны труб из скважины, что позволяет подобрать оптимальный режим работы, то есть требуемое усилие безударного вибрационного воздействия на прихваченную колонну труб, что повышает эффективность извлечения из скважины прихваченной колонны труб. Кроме того, предлагаемое устройство имеет простую конструкцию и сравнительно с прототипом дешево в изготовлении и имеет меньшую металлоемкость.