УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ СКВАЖИНЫ ОТ ПЕСЧАНОЙ ПРОБКИ
DEVICE FOR WELL CLEANING FROM SAND PLUG

Изобретение относится к эксплуатации и ремонту скважин и может быть использовано для очистки скважины от песчаной пробки.
Анализ существующего уровня техники показал следующее.
Известно устройство для очистки скважины от песчаной пробки (см. П. №2242585 от 28.05.2003 г., по кл. Е21В 37/00, 21/00, опубл. 20.12.2004 г.), содержащее переходник, полый корпус, жестко соединенный в нижней части с наружной ударной коронкой, снабженной торцовыми зубьями, механизм разрушения, коаксиально установленный в полом корпусе, включающий полый шток, внутреннюю ударную коронку, снабженную торцовыми зубьями, и клапан. Полый шток подпружинен относительно полого корпуса и образует с последним рабочую (расширительную) камеру. Полый корпус имеет циркуляционные отверстия, выполненные в его верхней части. Клапан образован верхней торцовой поверхностью полого штока и внутренней торцовой поверхностью переходника, выполненной в виде седла. Внутренняя ударная коронка имеет осевое дроссельное отверстие и радиальные каналы.
Недостатками указанного устройства являются низкая эффективность разрушения песчаной пробки и качество очистки от продуктов разрушения из-за накопления давления рабочего агента в колонне труб, что не позволяет достичь больших значений. Увеличение скорости восходящего потока происходит при открытии циркуляционных отверстий в корпусе, расположенных вне зоны разрушения, что снижает качество очистки. Кроме того, при прохождении рабочего агента по колонне труб и внутри устройства происходят дополнительные потери давления, снижающие гидромониторный эффект, влияющий как на эффективность разрушения, так и на качество очистки.
К недостаткам устройства относится также сложность конструкции.
В качестве прототипа выбрано устройство для очистки скважины от песчаной пробки (см. П. №2315174 от 22.05.2006 г., по кл. Е21В 37/00, опубл. 20.01.2008 г.), содержащее переходный модуль, полый корпус, жестко соединенный в нижней части с наружной ударной коронкой, снабженной торцовыми зубьями, имеющей наклонные, направленные вверх, радиальные отверстия, подпружиненный относительно переходного модуля через переводник, рабочую камеру, расположенную в полом корпусе, и механизм разрушения, коаксиально установленный в полом корпусе, включающий полый соединительный шток, внутреннюю ударную коронку, снабженную торцовыми зубьями, имеющую наклонные, направленные вниз, радиальные каналы, связанную с полым соединительным штоком, и клапан. Рабочая камера образована переводником, внутренний канал которого имеет коническое расширение к низу. Устройство содержит гидрораспределительный узел, обеспечивающий взаимосвязь с межтрубным пространством и вращательное воздействие на песчаную пробку.
Недостатком указанного устройства является низкая эффективность разрушения песчаной пробки и качество очистки от материалов разрушения из-за слабого удара, наносимого внутренней и наружной ударными коронками, и низкого гидромониторного эффекта струи рабочего агента, связанных с потерей давления рабочего агента при движении последнего по колонне труб и внутри устройства. Рабочая камера конструктивно выполнена так, что не позволяет производить накапливание энергии для повышения мощности ударов. В устройстве создаются дополнительные потери гидравлического давления из-за низкого механического КПД устройства, обусловленного передвижением трущихся конструктивных элементов. Низкое давление рабочего агента не позволяет создать высокую скорость выброса.
К недостаткам устройства относится также сложность конструкции.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, сводится к повышению эффективности разрушения песчаной пробки и качества очистки от продуктов разрушения за счет конструктивного выполнения рабочей камеры, позволяющей производить накопление энергии рабочего агента, обеспечивающее высокую ударную силу и создание мощной гидромониторной струи. Техническим результатом также является упрощение конструкции.
Технический результат достигается с помощью известного устройства для очистки скважины от песчаной пробки, содержащего переходный модуль, полый корпус, жестко соединенный в нижней части с наружной ударной коронкой, снабженной торцовыми зубьями, имеющей наклонные, направленные вверх, радиальные отверстия, подпружиненный относительно переходного модуля через переводник, рабочую камеру, расположенную в полом корпусе, и механизм разрушения, коаксиально установленный в полом корпусе, включающий полый соединительный шток, внутреннюю ударную коронку, снабженную торцовыми зубьями, имеющую наклонные, направленные вниз, радиальные каналы, связанную с полым соединительным штоком, и клапан.
Новым является то, что переходный модуль состоит из полого штока с кольцевым буртиком на внутренней поверхности в нижней части и муфты-переводника.
Полый корпус имеет на внутренней поверхности бурт.
Переводник выполнен в виде накидной гайки.
Рабочая камера состоит из трех закладных деталей с общим осевым каналом, вваренных в эластичные элементы. Верхняя закладная деталь поджата к бурту полого корпуса накидной гайкой через распорную втулку. Средняя закладная деталь имеет радиальные резьбовые отверстия. Нижняя закладная деталь выполнена с выступом в нижней части, связанным резьбовым соединением с полым соединительным штоком механизма разрушения. Внутренняя ударная коронка механизма разрушения имеет наклонные, направленные вверх, радиальные каналы.
Внутренняя ударная коронка и полый соединительный шток выполнены единой деталью.
Наклонные, направленные вверх, радиальные отверстия наружной ударной коронки выполнены длиной, обеспечивающей их совмещение с наклонными, направленными вверх, радиальными каналами внутренней ударной коронки при нахождении механизма разрушения в крайнем нижнем положении.
Клапан механизма разрушения выполнен в виде подвесной штанги с кольцевым выступом в верхней части, упирающимся на кольцевой буртик полого штока, и двумя рядами сквозных продольных пазов в средней части, установленный с перекрытием наклонных, направленных вверх, радиальных каналов внутренней ударной коронки механизма разрушения.
В радиальных резьбовых отверстиях средней закладной детали рабочей камеры установлены штифты, свободные концы которых размещены в сквозных продольных пазах верхнего ряда подвесной штанги.
Нами не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, включающих всю совокупность признаков изобретения, что позволяет сделать вывод о его соответствии условию новизны.
На фиг.1 представлена конструкция устройства в продольном разрезе. На фиг.2 представлено поперечное сечение устройства по линии А-А фиг.1. На фиг.3 представлено поперечное сечение устройства по линии Б-Б фиг.1. На фиг.4 представлено поперечное сечение устройства по линии В-В фиг.1. На фиг.5 представлен график зависимости относительного удлинения от напряжения в поперечном сечении эластичного элемента.
Устройство для очистки скважины от песчаной пробки содержит переходный модуль, состоящий из полого штока 1 с кольцевым буртиком 2 на внутренней поверхности в нижней части и муфты-переводника 3, полый корпус 4, жестко соединенный в нижней части с наружной ударной коронкой 5 (Фиг.1). Полый корпус 4 подпружинен относительно переходного модуля через переводник, выполненный в виде накидной гайки 6, и имеет на внутренней поверхности бурт 7. Наружная ударная коронка 5 имеет наклонные, направленные вверх, радиальные отверстия 8 и снабжена торцовыми зубьями 9. Устройство содержит рабочую камеру, расположенную в полом корпусе 4, и механизм разрушения, коаксиально установленный в полом корпусе 4. Рабочая камера состоит из трех закладных деталей - верхней закладной детали 10, средней закладной детали 11 и нижней закладной детали 12 с общим осевым каналом, вваренных в эластичные элементы 13. Верхняя закладная деталь 10 поджата к бурту 7 полого корпуса 4 накидной гайкой 6 через распорную втулку 14. Средняя закладная деталь 12 имеет радиальные резьбовые отверстия 15 (Фиг.2). Нижняя закладная деталь 12 выполнена с выступом 16 в нижней части. Механизм разрушения включает полый соединительный шток 17, внутреннюю ударную коронку 18, выполненные единой деталью, и клапан. Выступ 16 нижней закладной детали 12 связан резьбовым соединением с полым соединительным штоком 17 механизма разрушения. Внутренняя ударная коронка 18 снабжена торцовыми зубьями 19, имеет наклонные, направленные вниз 20 и вверх 21 радиальные каналы (Фиг.3). Наклонные, направленные вверх, радиальные отверстия 8 наружной ударной коронки 5 выполнены длиной, обеспечивающей их совмещение с наклонными, направленными вверх, радиальными каналами 21 внутренней ударной коронки 18 при нахождении механизма разрушения в крайнем нижнем положении (Фиг.4). Клапан механизма разрушения выполнен в виде подвесной штанги 22 с кольцевым выступом 23 в верхней части, упирающимся на кольцевой буртик 2 полого штока 1, и двумя рядами сквозных продольных пазов 24 в средней части. Подвесная штанга 22 установлена с перекрытием наклонных, направленных вверх, радиальных каналов 21 внутренней ударной коронки 18 механизма разрушения. В радиальных резьбовых отверстиях 15 средней закладной детали 11 рабочей камеры установлены штифты 25, свободные концы которых размещены в сквозных продольных пазах 24 верхнего ряда подвесной штанги 22.
Количество сквозных продольных пазов 24 полой подвесной штанги 22 и количество резьбовых отверстий 15 в средней закладной детали 11 рабочей камеры и соответственно количество штифтов 25 выполняют исходя из конструктивных размеров и осевых растягивающих усилий.
А количество наклонных, направленных вверх 21 и вниз 20 радиальных каналов внутренней ударной коронки 18 рассчитывают в зависимости от типоразмера устройства.
Выполнение соединительного штока 17 и внутренней ударной коронки 18 единой деталью, а также выполнение и размещение полой подвесной штанги 22 без использования жесткой связи, выполняющей функцию клапана, обеспечивающего гидравлическое регулирование, упрощает конструкцию устройства.
Устройство для очистки скважины от песчаной пробки является составной частью комплекса оборудования, обеспечивающего выполнение работ по ремонту скважин различного назначения с использованием колонны гибких труб.
Устройство работает следующим образом.
Устройство спускают в скважину на колонне гибких труб до контакта наружной ударной коронки 5 с песчаной пробкой. В качестве рабочего агента могут быть использованы высокоаэрированные растворы, пенные системы или газ. Подают рабочий агент по осевому каналу полого штока 1 и подвесной штанги 22. В исходном положении наклонные, направленные вверх, радиальные каналы 21 внутренней ударной коронки 18 перекрыты подвесной штангой 22, в соответствии с чем рабочий агент попадает через наклонные, направленные вниз, радиальные каналы 20 внутренней ударной коронки 18 на песчаную пробку, разрушая ее. Основной поток рабочего агента через сквозные продольные пазы 24 подвесной штанги 22 попадает на эластичные элементы 13 рабочей камеры. Под действием давления, создаваемого рабочим агентом, эластичные элементы 13 деформируются в радиальном направлении и растягиваются в осевом направлении. В рабочей камере повышается давление пропорционально относительному растяжению эластичных элементов 13. Необходимость повышения давления в устройстве обосновывается большими потерями рабочего давления в колонне гибких труб, что приводит к снижению гидродинамического эффекта размыва песчаной пробки и снижению мощности ударных воздействий на пробку, а малые расходы рабочего агента не позволяют создавать необходимые скорости для выноса продуктов разрушения из скважины. Таким образом, накапливание энергии в рабочей камере компенсирует дополнительные гидравлические потери.
Накапливание кинетической энергии в рабочей камере происходит за счет упругих сил эластичных элементов 13. Растягивающее усилие в эластичном элементе 13 определяется произведением площади его поперечного сечения на напряжение, возникающее в указанном сечении. В свою очередь, напряжение в поперечном сечении эластичного элемента 13 будет зависить от относительного его удлинения по прямой зависимости до предельно допустимого напряжения. Зависимость отражается графически (фиг.5), приняв за расчетную величину относительное удлинение, определяют величину создаваемого напряжения в поперечном сечении. Давление, создаваемое в рабочей камере при работе, будет определяться величиной рабочей площади поперечного сечения эластичного элемента 13.
Нижняя закладная деталь 12 рабочей камеры и эластичный элемент 13, соединяющий ее со средней закладной деталью 11, двигаются с большой скоростью вниз, приводя к поступательному ударному движению через полый соединительный шток 17 внутреннюю ударную коронку 18. Перемещение внутренней ударной коронки 18 при неподвижной подвесной штанге 22 обеспечивает сообщение наклонных, направленных вверх, радиальных каналов 21 с осевым каналом подвесной штанги 22 и совмещение с наклонными, направленными вверх, радиальными отверстиями 8 наружной ударной коронки 5. В момент нахождения механизма разрушения в крайнем нижнем положении рабочий агент с повышенным давлением и большой скоростью выбрасывается через наклонные, направленные вверх, радиальные каналы 21 внутренней ударной коронки 18 и радиальные отверстия 8 наружной ударной коронки 5. Выброс рабочего агента происходит в импульсном режиме в направлении выноса частиц продуктов разрушения, создается веерный гидравлический пакер, способствующий захвату и выносу продуктов разрушения песчаной пробки из скважины. Происходит качественная очистка.
При сбросе давления в рабочей камере внутренняя ударная коронка 18, полый соединительный шток 17 и нижняя закладная деталь 12 рабочей камеры внутренними упругими силами эластичного элемента 13 рабочей камеры возвращаются в исходное положение. Наклонные, направленные вверх, радиальные каналы 21 внутренней ударной коронки 18 перекрываются подвесной штангой 22.
В момент накопления энергии в рабочей камере средняя закладная деталь 11 сохраняет исходное положение за счет опоры штифтов 25 на нижние торцы сквозных продольных пазов 24 верхнего ряда подвесной штанги 22.
Одновременно с движением нижней закладной детали 12 происходит осевое перемещение верхней закладной детали 10 вверх, которая через распорную втулку 14 передает движение накидной гайке 6, полому корпусу 4 и наружной ударной коронке 5. Последние, преодолевая усилие пружины, занимают крайнее верхнее положение, а при сбросе давления в рабочей камере с большой скоростью опускаются вниз, производя удар наружной ударной коронкой 5 по песчаной пробке. При перекрытии наклонных, направленных вверх, радиальных каналов 21 внутренней ударной коронки 18 давление в рабочей камере начинает нарастать и весь рабочий процесс повторяется.
Таким образом, за один рабочий цикл подъема и сброса давления в рабочей камере происходит два удара по песчаной пробке, так как при движении внутренней ударной коронки 18 вниз наружная ударная коронка 5 поднимается вверх, при движении внутренней ударной коронки 18 вверх наружная движется вниз. Разрушение осуществляется и мощными гидромониторными струями. Это свидетельствует о высокой эффективности разрушения песчаной пробки.
При работе с колонной гибких труб условным диаметром 38 мм используют устройство массой (нетто) 8,3 кг, имеющее следующие габариты:
длина, мм...........................472
наружный диаметр, мм............48.
В полой подвесной штанге 22 выполнены 2 ряда сквозных продольных пазов 24 по 3 в каждом. Количество резьбовых отверстий 15 в средней закладной детали 11 рабочей камеры и соответственно количество штифтов 24 равно 3. Внутренняя ударная коронка 18 имеет 8 наклонных, направленных вверх, и 4 наклонных, направленных вниз, радиальных канала. Ход внутренней ударной коронки 18 составляет 30 мм. Наружная ударная коронка 5 имеет 8 наклонных, направленных вверх, радиальных отверстия 8, выполненных длиной 40 мм.
Все места, требующие герметичности, уплотняют резиновыми кольцами, выполненными по ГОСТ 9833-73.
2
Эластичные элементы 13 рабочей камеры выполняют из резины марки 7-57-2012 группы V1-1б-10 по ТУ 2512-046-00152081-2003. Из характеристики упругости эластичного элемента 13 имеют зависимость относительного удлинения от напряжения в поперечном сечении эластичного элемента 13 до предельно допустимого значения. При относительном удлинении 300% напряжение в поперечном сечении равно 140 кг/см. Растягивающее усилие в эластичном элементе 13 определяют по формуле:
р
р
эл
F=σ·S,
p
где F - растягивающее усилие, кг,
p
2
σ - напряжение в поперечном сечении эластичного элемента, кг/см,
эл
S - площадь поперечного сечения эластичного элемента, см.
p
F=140·8=1120 кг.
В рабочей камере в процессе работы создается давление, определяемое по формуле:
в
p
p
Р=F/S,
в
где Р - давление в рабочей камере при работе, кг,
p
2
S - рабочая площадь, которая образуется в рабочей камере при работе, см.
в
2
Р=1120/14=80 кг/см.
Это давление обеспечивает создание мощной гидромониторной струи и удары ударных коронок, эффективно разрушающих песчаную пробку, а также осуществление качественной очистки от продуктов разрушения.
Нами не обнаружены источники патентной документации и научно-технической литературы, описывающие сведения о влиянии отличительных признаков устройства на достигаемый технический результат. Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию изобретательский уровень.
Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности, так как является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.