УСТРОЙСТВО ГИДРОУДАРНОЕ
HYDROPERCUSSION DEVICE

Изобретение относится к эксплуатации и ремонту нефтяных и газовых скважин и может быть использовано для разрушения и удаления плотных песчано-глинистых и песчано-гидратных пробок в осевом канале лифтовой колонны труб и интервале перфорации.
Известно устройство для очистки скважин от песчаной пробки (см. пат. РФ №2.242.585, Мкл. E21B 37/00, опубл. 20.12.2004, бюл. №35).
Устройство состоит из переходника с седлом, разъемного полого корпуса, соединенного через муфту с кожухом, на торце которого выполнены зубья.
Механизм разрушения состоит из разъемного полого штока, связанного с кольцевым поршнем.
Переходник с механизмом разрушения имеют общий гидравлический канал. Полый шток подпружинен относительно полого корпуса и через муфту связан с коронкой, которая с внешней стороны снабжена гидромониторной насадкой. Полый шток вместе с полым корпусом образует кольцевую камеру, связанную гидравлически с осевым каналом устройства, при этом принято, что площадь сечения кольцевой камеры равна площади поперечного сечения гидравлического канала в полом штоке.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- сложность конструкции;
- возможность забивания перепускных отверстий и дроссельного отверстия механическими примесями, поступающими вместе с рабочей жидкостью;
- непрерывная подача рабочей жидкости через устройство и с течением через перепускные и дроссельные отверстия части расхода снижение эффективности гидроударного воздействия зубьями коронки, поскольку снижается как сама сила удара, так и частота их нанесения;
- включение в состав устройства циркуляционного клапана приводит также к снижению эффективности работы из-за нерациональных потерь рабочей жидкости.
Известно устройство гидроударное (см. труды НПО «Бурение», вып.15, «Современная техника и технология закачивания скважин и бурение боковых стволов», с. 363-371, Краснодар, 2006). Эту конструкцию авторы приняли за прототип.
Устройство гидроударное состоит из корпуса, связанного через гидроцилиндр с соединительным патрубком, в осевом канале которого размещен кольцевой поршень, который связан с полым штоком, пропущенным в осевом канале корпуса. На нижнем конце полого штока размещен механизм разрушения, включающий дроссельную шайбу с осевым каналом, перекрытым в исходном положении подпружиненным толкателем.
В средней части разъемного корпуса установлено седло, к которому снизу поджат пружиной торцевой клапан, связанный с патрубком, на нижнем конце которого закреплена внутренняя коронка. На нижнем конце разъемного корпуса размещена внешняя коронка. Осевой канал толкателя снабжен шаровым обратным клапаном. Осевой канал полого штока постоянно гидравлически связан с дроссельным каналом в теле дроссельной шайбы, с камерой, образованной внутренней стенкой разъемного корпуса и толкателем.
Сама кольцевая камера через продольные пазы на наружной боковой поверхности седла связана с кольцевой камерой между разъемным корпусом и патрубком.
Поджим торцевого клапана к седлу регулируется гайкой с калиброванными отверстиями, которые соединяют кольцевую камеру в разъемном корпусе с полостью скважин.
Осевой канал толкателя гидравлически связан с осевым каналом патрубка и осевым отверстием в теле внутренней коронки.
Полость кольцевой камеры под кольцевым поршнем постоянно гидравлически связана с полостью скважины через радиальное отверстие в теле гидроцилиндра.
Работа устройства заключается в следующем. На бурильной колонне труб устройство спускается в скважину до уровня расположения пропантовой пробки, с разгрузкой на нее части веса бурильной колонны.
Для обеспечения работы устройства по очистке ствола скважины от пропантовой пробки принимают, что суммарная площадь поперечного сечения калиброванных отверстий в теле регулировочной гайки принята меньшей, чем площадь поперечного сечения дроссельного канала в теле дроссельной шайбы. Суммарная площадь калиброванных отверстий в теле внутренней коронки принята больше площади поперечного сечения дроссельного канала в теле шайбы дроссельной.
При подаче с поверхности рабочей жидкости она поступает по осевому каналу патрубка и полого штока к дроссельным каналам в теле дроссельной шайбы и через продольные пазы на седле поступает к калиброванным отверстиям в теле регулировочной гайки, через которые осуществляются гидромониторные воздействия на поверхность пропантовой пробки.
Расход рабочей жидкости, подаваемой с поверхности, принимается больше, чем суммарный расход жидкости, истекающей через калиброванные отверстия в теле регулировочной гайки, что приводит к плавному набору давления в осевом канале бурильной колонны труб и внутри устройства. Это давление воспринимается площадью сечения толкателя, который выходит из торцевого контакта с дроссельной шайбой и воздействует на торцевой клапан, что приводит к его отрыву от седла.
Тем самым возникает гидравлическая связь кольцевой камеры в разъемном корпусе с осевым каналом патрубка. Рабочая жидкость по осевому каналу патрубка и отверстиям в коронке подается на поверхность пропантовой пробки. При отрыве торцевого клапана от седла включается дополнительная площадь, на которую воздействует давление рабочей жидкости, что приводит к его резкому перемещению вниз с сжатием пружины и ударным воздействием коронкой на поверхность пропантовой пробки с ее разрушением. При повышенном расходе рабочей жидкости, истекающей при этом процессе из устройства, происходит падение давления внутри последнего, что способствует возврату толкателя и торцевого клапана пружинами в исходное положение, с прекращением подачи рабочей жидкости через осевой канал патрубка. Происходит набор давления в осевом канале бурильной колонны труб и повторяется процесс воздействия коронкой на поверхность пропантовой пробки. Механические частицы потоком рабочей жидкости по межтрубному пространству выносятся на поверхность. В случае недостаточной скорости выходящего потока рабочей жидкости возможно применение пенных систем с генерацией пены на забое скважины, при переменной подаче пачек рабочей жидкости и газа в осевом канале гибкой колонны труб колтюбинговой установки.
К недостаткам конструкции установки следует отнести следующие:
- необходимость соразмерять диаметральные размеры всех дросселирующих каналов в регулировочной гайке и дроссельной шайбе. В процессе работы возможно их забивание механическими частицами, с изменением сечения и их суммарной площади, что может привести к изменению режима работы в худшую сторону;
- при длительной эксплуатации устройства возможен также размыв дросселирующих каналов, с увеличением их диаметральных размеров, что также может привести к изменению режима работы устройства;
- постоянная подача рабочей жидкости через устройство, даже с меньшим расходом - это снижение эффективности работы устройства.
Технический результат, который может быть получен при реализации предполагаемого изобретения:
- возможность опоры устройства на поверхность песчано-глинистой пробки с нагруженным весом устройства;
- возможность прекращения подачи рабочей жидкости в полость скважины после остановки подачи рабочей жидкости в осевой канал лифтовой колонны труб от насосного агрегата, находящегося на поверхности;
- возможность полного использования энергии сжатой рабочей жидкости при импульсной подаче потока рабочей жидкости с увеличенным расходом, при осуществлении ударного воздействия породоразрушающим инструментом на поверхность песчано-глинистой пробки;
- исключение прекращения работы устройства из-за попадания механических примесей внутрь осевого канала полого штока.
Технический результат достигается тем, что устройство гидроударное состоит из разъемного корпуса с седлом в месте разъема, снабженным продольными пазами, соединительного патрубка с кольцевым поршнем, установленным в корпусе компенсатора, подпружиненного толкателя, торцевого клапана со штоком и коронкой, образующими подвижное соединение с гайкой на нижнем конце разъемного корпуса, снабженной резьбовыми отверстиями. Устройство снабжено ограничительной шайбой, установленной под коронкой и связанной с гайкой шпильками, свободно пропущенными через отверстия в коронке, в теле которой выполнена внутренняя проточка для охвата ограничительной шайбы в момент рабочего хода.
Конструкция устройства гидроударного показана на чертежах, где:
- фиг. 1 - устройство в разрезе в исходном транспортном положении деталей;
- фиг. 2 - конструкция устройства при опоре на поверхность песчано-глинистой пробки ограничительной шайбой;
- фиг. 3 - устройство в разрезе при осуществлении ударного воздействия. Заявляемое устройство состоит из корпуса 1, в месте соединения частей 2 и 3 которого установлено седло 4. Верхняя часть 2 разъемного корпуса 1 связана с соединительным патрубком 5, в месте их соединения установлена посадочная шайба 6. В осевом канале 7 разъемного корпуса 1 в нижней части 3 установлен подпружиненный торцевой клапан 8 с полым штоком 9, поджимаемый пружиной 10 к седлу 4. В осевом канале 11 верхней части 2 разъемного корпуса 1 установлен подпружиненный толкатель 12, который опирается на посадочную шайбу 6, нижний конец которого пропущен через осевой канал седла 4, с опорой на торец торцевого клапана 8 с расположением внутри его посадочного выступа 13. На конце разъемного корпуса 1 установлена гайка 14, охватывающая полый шток 9 торцевого клапана 8. Торцевой клапан 8 снабжен коронкой 15 с зубьями 16, обращенными в сторону разрушаемой преграды.
Устройство снабжено ограничительной шайбой 17 с центральным отверстием, связанной жестко через шпильки 18 с гайкой 14, размещенной в осевом канале 7 разъемного корпуса 1. Коронка 15 снабжена внутренней проточкой 19, диаметр и глубина которой приняты большими, чем габаритные размеры ограничительной шайбы 17. Соединительный патрубок 5 снабжен кольцевым поршнем 20, расположенным в осевом канале 21 корпуса 22 компенсатора, связанного через переводник 23 с гибкой колонной труб. Ход соединительного патрубка 5 с помощью кольцевого поршня 20 внутри осевого канала 21 корпуса 22 компенсатора ограничен ввертышем 24. Сборка, включающая разъемный корпус 1 с деталями в осевых каналах 11 и 7 в верхней 2 и нижней 3 частях, связана с соединительным патрубком 5, подпружиненным пружиной 25, установленной на внешней стороне этого патрубка 5. Толкатель 12 своим концом 26 входит в осевой канал посадочной шайбы 6 и имеет на наружной поверхности ряд продольных пазов 27. Седло 4 на наружной поверхности содержит также ряд продольных пазов 28, гидравлически соединяющих осевой канал 11 в верхней части 2 разъемного корпуса 1 с осевым каналом 7 нижней части 3 разъемного корпуса 1. Диаметр посадочного выступа 13 торцевого клапана 8 принят больше диаметра полого штока 9. Площадь сечения торцевого клапана 8 в месте взаимодействия с толкателем 12 определяется исходя из известных размеров посадочного выступа 13 и наружного диаметра полого штока 9. При этом полученная площадь сечения принимается меньшей площади сечения подпружиненного толкателя 12.
Кольцевой зазор между седлом 4 и толкателем 12 изолирован уплотнительным кольцом 29, кольцевой зазор между гайкой 14 и полым штоком 9 изолирован кольцом 30. Кольцевой поршень 20 в корпусе 22 компенсатора снабжен уплотнительным кольцом 31.
Работа устройства гидроударного.
Устройство в сборе через переводник 23 соединяется с гибкой колонной труб колтюбинговой установки и вводится в скважину через осевой канал труб лифтовой колонны с доведением до места расположения уровня песчано-глинистой или пропантовой пробки.
Ограничительная шайба 17 входит в контакт с песчано-глинистой пробкой с перемещением соединительного патрубка 5 с помощью кольцевого поршня 20 внутрь осевого канала 21 корпуса 22 компенсатора и сжатием пружины 25.
В таком положении осуществляется спуск в скважину устройства с присоединением на устье скважины к гибкой колонне труб насосного агрегата с подачей под давлением рабочей жидкости, с заданным расходом в гибкую колонну труб. Как показывает практика, расход рабочей жидкости находится в пределах Q≈5 л/сек при ΔP=20…25 МПа.
При увеличении этих параметров и малом внутреннем диаметре гибкой трубы резко возрастают гидравлические сопротивления потоку рабочей жидкости, что соответственно снижает эффективность ведения процесса удаления песчано-глинистой пробки.
С ростом давления рабочей жидкости в осевом канале гибкой колонны труб и внутри устройства последнее воспринимается площадью поперечного сечения толкателя 26, который начинает перемещаться в осевом канале седла 4, с сжатием пружины 10 и торцевым взаимодействием с поверхностью торцевого клапана 8, размещенного внутри посадочного выступа 13.
Преодолевая сопротивление пружины 10 и силу, с которой торцевой клапан 8 поджимается к седлу 4 пружиной 10 и давлением рабочей жидкости, действующей со стороны осевого канала 7, толкатель 12 отрывает посадочный выступ 13 от седла 4. Тем самым рабочая жидкость из осевого канала соединительного патрубка 5 по продольным пазам 27 в теле толкателя 12 подается в осевой канал 11 верхней части 2 разъемного корпуса 1. Далее через продольные пазы 28 в теле седла 4 рабочая жидкость попадает в осевой канал 7 разъемного корпуса 1, откуда поступает внутрь осевого канала полого штока 3, с воздействием на дополнительную площадь торцевого клапана 8 внутри месторасположения посадочного выступа 13. Это приводит к резкому перемещению торцевого клапана 8 вместе с полым штоком 9, снабженным коронкой 15, вниз в направлении песчано-глинистой пробки и воздействию на ее поверхность зубьями 16. Расход рабочей жидкости через устройство, центральное отверстие ограничительной шайбы 17 и осевой канал полого штока 9 превышает расход рабочей жидкости, подаваемой с поверхности насосным агрегатом. Это приводит к падению давления внутри устройства и возврату торцевого клапана 8 в исходное положение с посадкой посадочным выступом 13 на седло 4. Усилием сжатой пружины толкатель 12 возвращается в исходное положение с входом во взаимодействие с посадочной шайбой 6.
По мере разрушения песчано-глинистой пробки, при многократном повторении циклов возвратно-поступательного перемещения торцевого клапана 8 с полым штоком 9 и воздействии коронкой 15 на ее поверхность осуществляют перемещение устройства вниз путем скручивания гибкой трубы с барабана колтюбинговой установки.
Применение такого устройства в лифтовой колонне труб малого внутреннего диаметра, например, составленной из насосно-компрессорных труб Ду=73 мм, позволяет эффективно транспортировать механические примеси на поверхность по межтрубному пространству, образованному внутренней стенкой трубы лифтовой колоны и наружной поверхностью гибкой трубы колтюбинговой установки.
Использование этого устройства в лифтовой колонне труб, составленной из насосно-компрессорных труб большого диаметра, требует применения новых технологических приемов, направленных на обеспечение выноса механических частиц на поверхность, например применение аэрированных жидкостей или пенных систем.
Источники информации
1. Патент РФ №2.242.585, Мкл. E21B 37/00, опубл. 20.12.2004, бюл. №35.
2. Труды НПО «Бурение», вып. 15, «Современная техника и технология закачивания скважин и бурение боковых стволов», с. 363-371, Краснодар, 2006.