УСТРОЙСТВО ГИДРОУДАРНОЕ
HYDRAULIC IMPACT DEVICE

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и предназначено для очистки призабойной зоны от плотных проппантовых пробок при наличии аномально низких пластовых давлений.
7
Известно устройство для очистки скважин от песчаной пробки (см. патент РФ №2242585, кл. МКИ  Е21В 37/00; 21/00. Опубл. 20.12.2004 г. Бюл. №35).
Устройство состоит из переходника с седлом, разъемного полого корпуса, соединенного муфтой с кожухом, снабженным на торце зубьями.
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 возвратной пружиной и через муфту связан с коронкой, снабженной торцовыми зубьями, которая имеет осевой дросселирующий канал. Коронка с внешней стороны имеет гидромониторную насадку.
Полый шток образует с внутренней поверхностью полого корпуса кольцевую камеру, которая связана гидравлическим каналом с осевым каналом устройства, причем площадь сечения кольцевой камеры равна площади поперечного сечения осевого гидравлического канала в полом штоке.
Недостатком конструкции устройства для очистки от песчаной пробки является:
- низкая надежность работы, заключающаяся в том, что в процессе транспортирования механических частиц по кольцевому зазору между корпусом устройства и внутренней поверхностью лифтовой колонны труб возможно попадание песка внутрь устройства, что может привести к забиванию дросселирующего канала гидромониторной насадки, заклиниванию кольцевого поршня, с остановкой технологического процесса;
- наличие стопорного кольца, соединяющего механизм разрушения с полым корпусом требует затрат осевого усилия, развиваемого на кольцевом поршне для обеспечения его деформации и перемещения механизма разрушения в направлении поверхности разрушаемой пробки.
Известен гидроударник (см. авт.св. СССР №1539303 М.кл. 5 Е21В 4/14. Опубл. 30.01.90 г. Бюл. №4), предназначенный для разрушения плотных пробок при спуске в скважину на бурильных трубах.
Устройство состоит из разъемного корпуса, гидравлического цилиндра, распределительной камеры в верхней части. В цилиндре размещен ступенчатый поршень, связанный с бойком и подпружиненный относительно поршня тягой. Распределительная камера снабжена впускными окнами, нижним и верхним седлами, крышкой со сливным каналом.
В нижней части крышки имеется стакан со сливными выпускными окнами. Клапанный узел выполнен в виде полой втулки с осевым отверстием для перемещения тяги. Втулка установлена с возможностью взаимодействия с нижним и верхним седлами и с тягой.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести следующее:
- отсутствует передача ударной нагрузки от бойка на породоразрушающий элемент из-за того, что последний жестко связан с корпусом, который в свою очередь жестко связан с колонной бурильных труб;
- нет прямого потока рабочей жидкости, направленного на породоразрушающий инструмент для его охлаждения и очистки;
- при существовании в ряде скважин аномально низких пластовых давлений (АНПД) возникает необходимость проведения обратной промывки с целью выноса механических частиц по осевому каналу бурильной колоны труб (поскольку резко увеличивается скорость восходящего потока рабочей жидкости).
В противопоставляемой конструкции такой процесс осуществить невозможно.
Известна конструкция гидроударного устройства, принятая авторами за прототип, описание которой изложено в трудах НПО «Бурение», вып.15 «Современная техника и технология закачивания скважин и бурение боковых стволов», с.363-371.
Гидроударное устройство состоит из корпуса, связанного через гидроцилиндр с соединительным патрубком, в котором установлен кольцевой поршень.
Гидроцилиндр снабжен кольцевым поршнем с полым штоком, пропущенным в осевой канал корпуса.
Нижний конец полого штока снабжен механизмом разрушения, включающим дроссельную шайбу с осевым каналом, перекрытым в исходном положении подпружиненным толкателем. В средней части разъемного корпуса установлено седло, к которому поджат пружиной торцовый клапан, связанный патрубком с внутренней коронкой. Нижний конец разъемного корпуса снабжен внешней коронкой.
Осевой канал толкателя снабжен шаровым обратным клапаном. Осевой канал полого штока постоянно гидравлически связан дроссельным каналом в теле дроссельной шайбы, с кольцевой камерой между стенкой разъемного корпуса и толкателем.
Сама кольцевая камера связана через продольные пазы в теле седла с кольцевой камерой между разъемным корпусом и патрубком.
Поджим торцового клапана к седлу регулируется гайкой, снабженной калиброванными отверстиями, соединяющими кольцевую камеру между стенкой разъемного корпуса и толкателем с полостью скважины.
Осевой канал толкателя постоянно 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 радиальным отверстием в теле гидроцилиндра.
Работа устройства.
На нижний конец бурильной колонны труб устанавливается устройство в сборе и опускается в скважину до уровня расположения проппантовой пробки, с разгрузкой на нее части веса бурильной колонны. Осуществляют подачу рабочей жидкости с заданным расходом и давлением.
Для обеспечения работы гидроударного устройства по очистке ствола скважины от проппантовой пробки площадь поперечного сечения калиброванных отверстий в теле регулировочной гайки принята меньше площади поперечного сечения дроссельного канала в теле шайбы дроссельной, а суммарная площадь калиброванных отверстий в теле внутренней коронки принята больше площади поперечного сечения гидравлического дроссельного канала в теле шайбы дроссельной.
При подаче рабочей жидкости по бурильной колонне труб последняя поступает по осевому каналу соединительного патрубка и полого штока, и далее через дроссельные каналы в теле дроссельной шайбы и продольные пазы в теле седла, подается к калиброванным отверстиям в теле регулировочной гайки, с воздействием струей рабочей жидкости на поверхность плотной проппантовой пробки.
Поскольку расход рабочей жидкости, подаваемой по бурильной колонне труб, принимается больше суммарного расхода через калиброванные отверстия в теле регулировочной гайки, то происходит плавный рост давления в осевом канале бурильной колонны и внутри устройства. При расчетном перепаде давления, воспринимаемом площадью толкателя, последний выходит из торцового контакта с дроссельной шайбой и воздействует с осевым усилием на торцовый клапан. Это приводит к его отрыву от седла и образованию гидравлической связи кольцевой камеры между телом разъемного корпуса и толкателем с осевым каналом патрубка.
Рабочая жидкость с увеличенным расходом поступает по осевому каналу патрубка и далее через отверстия в коронке подается на поверхность проппантовой пробки.
При отрыве торцового клапана от седла происходит его резкое перемещение вниз, со сжатием возвратной пружины и механическим ударным воздействием зубьями внутренней коронки на поверхность проппантовой пробки, с ее разрушением.
При открытом торцовом канале и превышении расхода рабочей жидкости, вытекающей из устройства, над расходом рабочей жидкости, подаваемой с поверхности в бурильную колонну труб, в гидравлическом канале устройства происходит падение давления, и возникают условия, способствующие возврату торцового клапана на седло усилием предварительно сжатой пружины. Толкатель входит в торцовый контакт с поверхностью шайбы дроссельной.
Процесс возвратно-поступательного перемещения коронки зубьями осуществляется в автоматическом режиме.
При поглощении рабочей жидкости пластом снижается скорость восходящего потока в межтрубном пространстве и эффективность транспортирования проппантовых частиц на поверхность. В этом случае осуществляют переключение насосного агрегата на обратную подачу рабочей жидкости. Рабочая жидкость с частицами проппанта поступает через центральное отверстие в коронке в осевые каналы патрубка и толкателя и далее при открытом шаровом клапане подается в осевой канал соединительною патрубка и по бурильной колонне труб выносится на поверхность. После промывки-удаления механических частиц проппанта из проппантовой пробки осуществляют переключение насосного агрегата на прямую подачу рабочей жидкости и осуществление процесса гидромеханического воздействия на следующий участок проппантовой пробки.
К недостаткам конструкции устройства можно отнести следующее:
- при переходе с прямой подачи промывочной жидкости на обратную, с целью обеспечения выноса механических частиц из призабойной зоны, происходит подача промывочной жидкости с механическими частицами по осевому каналу патрубка и толкателя с открытием обратного клапана;
- наличие постоянной гидравлической связи через дроссельное отверстие в коронке и каналах в дроссельной шайбе с осевым каналом хвостовика и лифтовой колонны труб, что при осуществлении обратной промывки и подаче через них смеси механических частиц приводит к забиванию дроссельных отверстий. При повторном переходе на прямую подачу промывочной жидкости для работы гидроударника в режиме разрушения плотной проппантовой пробки происходит изменение режима работы.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- повышение эффективности разрушения и удаления плотных проппантовых пробок в осевом канале ствола скважины при существовании АНПД (аномально низких пластовых давлений);
- возможность осуществления обратной промывки ствола скважины через устройство гидроударное с защитой от забивания калиброванных отверстий частицами проппанта и обеспечением эффективной подачи механических частиц потоком рабочей жидкости на поверхность;
- возможность возвратно-поступательного перемещения ударного механизма при малых расходах рабочей жидкости, подаваемой по лифтовой колонне труб;
- возможность обеспечения обратной подачи рабочей жидкости через устройство с увеличенным расходом;
- снижение осевой сжимающей нагрузки на пружину толкателя за счет осевого усилия, образованного от перепада давления рабочей жидкости и воспринимаемого клеткой клапана, с замыканием этой нагрузки на опорное седло.
Технический результат достигаемся тем, что устройство состоит из корпуса, соединительного патрубка с седлом, в котором выполнены продольные пазы на внутренней поверхности и дроссельный канал, толкатель с клеткой шарового клапана, подпружиненного относительно седла, корпус дополнительно снабжен стаканом в осевом канале с образованием между ними кольцевой камеры и охватом верхним концом седла и образованием с кольцевым поршнем подвижного соединения. Кольцевой поршень снабжен торцовым клапаном и полым штоком. Корпус снабжен гильзой, жестко связанной с толкателем конусной перемычкой, снабженной сливными отверстиями и установленной в осевом канале полого штока, с возможностью торцового контакта с ответной конической поверхностью в теле торцового клапана, снабженного в месте контакта дренажными отверстиями. Кольцевая камера между полым штоком и стаканом гидравлически связана радиальными отверстиями в теле стакана с кольцевой камерой между стаканом и корпусом и радиальными отверстиями в теле полого штока, под кольцевым поршнем, с кольцевым зазором между гильзой и полым штоком.
Клетка шарового клапана снабжена дренажными отверстиями, опорным выступом и регулировочной гайкой с продольными пазами, установлена в осевом канале толкателя с возможностью осевого перемещения. Соединительный патрубок снабжен опорным седлом, установленным с возможностью образования кольцевого зазора с клеткой шарового клапана и возможностью попеременного взаимодействия с опорным выступом и регулировочной гайкой. Гильза снабжена подпружиненным клапаном в осевом канале, установленным с возможностью перекрытия сливных отверстий в конусной перемычке. Осевой канал в соединительном патрубке, над клеткой шарового клапана, постоянно гидравлически связан с дроссельным каналом в седле и кольцевой камерой между стаканом и корпусом, через кольцевой зазор между клеткой клапана и опорным седлом, с гидравлическим каналом, образованным наружной поверхностью толкателя и внутренней соединительного патрубка.
Анализ изобретательского уровня показал следующее:
известно устройство для очистки призабойной зоны скважины (см. патент РФ №2138617 кл. МПК 6 Е21В 37/00, опубл. 27.09.1999 г.), включающее в состав конструкции клапана, установленного на штоке, обратный клапан. Известна также связь внутренней полости стакана через дроссель с камерой мультипликации.
Конструкция гидроударного устройства поясняется чертежами, где
на фиг.1 показана конструкция устройства в разрезе в исходном положении;
на фиг.2 - конструкция устройства в положении проведения гидромеханического воздействия на поверхность плотной проппантовой пробки породоразрушающим инструментом;
на фиг.3 - конструкция устройства в положении проведения обратной промывки ствола скважины.
Устройство состоит из корпуса 1, с соединительным патрубком 2, в гидравлическом канале 3 которого размещено седло 4, с продольными пазами 5, для прохода промывочной жидкости, снабженное дроссельным каналом 6, гидравлически связанным с проточкой 7 в теле корпуса 1. В осевом канале корпуса 1 установлен стакан 8, с образованием между ними кольцевой камеры 9. Внутри стакана 8 установлен кольцевой поршень 10 с торцовым клапаном 11, опирающимся на седло 4, жестко связанный с полым штоком 12, пропущенным через гайку 13 за ее пределы.
Кольцевая камера 9 гидравлически связана радиальным отверстием 14 в теле стакана 8, с кольцевой камерой 15 и проточкой 7 в корпусе 1.
Кольцевой поршень 10 с торцовым клапаном 11 поджимается к седлу 4 пружиной 16. В осевом канале полого штока 12 установлена гильза 17, связанная с толкателем 18, пропущенным через осевой канал в кольцевом поршне 10.
На верхнем конце толкателя 18 установлена пружина 19, поджимаемая регулировочной гайкой 20 к торцовой поверхности во внутренней расточке седла 4.
В осевом канале 21 толкателя 18 установлена перфорированная клетка 22 с седлом 23 шарового клапана 24, имеющая на внешней стороне опорный выступ 25 и регулировочную гайку 26 с рядом продольных пазов 27 на внешней стороне. В осевом канале 3 соединительного патрубка 2 ниже места расположения присоединительной резьбы 28 установлено опорное седло 29 с конической посадочной поверхностью 30 под ответную поверхность на теле опорного выступа 25.
Регулировочная гайка 26 расположена над опорным седлом 23 и установлена с возможностью торцового взаимодействия с его телом. Перфорированная клетка 22 с седлом 23 шарового клапана 24 своим нижним концом входит в осевой канал 21 толкателя 18 с образованием между ними подвижного соединения. Между наружной поверхностью перфорированной клетки 22 и внутренней поверхностью опорного седла 29 образован кольцевой зазор 31, гидравлически связанный с осевым каналом 3 между телом толкателя 18 и внутренней поверхностью соединительного патрубка 2, и далее с кольцевым зазором между седлом 4 и толкателем 18, над местом расположения кольцевого поршня 10. В теле торцового клапана 11 кольцевого поршня 10 выполнен ряд дренажных отверстий 32, выходящих в осевой канал 33 над местом контакта гильзы 17 с внутренней конической поверхностью торцового клапана 11. В месте соединения толкателя 18 с гильзой 17 в ней выполнены сливные отверстия 34, гидравлически связанные через кольцевой зазор, между наружной поверхностью гильзы 17 и внутренней поверхностью полого штока 12 с радиальными отверстиями 35 в теле полого штока 12 и кольцевой камерой 15 под кольцевым поршнем 10.
В месте соединения толкателя 18 и гильзы 17 образована коническая поверхность 36, к которой пружиной 37 поджат клапан 38. Регулировка усилия поджима пружины 37 осуществляется гайкой 39.
Кольцевой зазор между кольцевым поршнем 10 и стаканом 8 перекрыт уплотнительным кольцом 40. Кольцевой зазор между стаканом 8 и корпусом 1 перекрыт уплотнительным кольцом 41.
Кольцевая камера 15 под кольцевым поршнем 10 изолирована от внешней среды уплотнительными кольцами 42, установленными в расточках гайки 13, охватывающей полый шток 12, который снабжен внутренней присоединительной резьбой 43, для установки породоразрушающего элемента, например коронки с зубьями, как в прототипе.
Кольцевой зазор между кольцевым поршнем 10 и внутренней поверхностью стакана 8 перекрыт уплотнительным кольцом 44.
Дроссельный канал 6 в теле седла 4 постоянно гидравлически соединяет кольцевое пространство 45, под продольными пазами 5 в теле седла 4 с проточкой 7.
Работа гидроударного устройства
Присоединительной резьбой 28 устройство в сборе закрепляется на нижнем конце бурильной колонны труб и опускается в скважину на глубину расположения проппантовой пробки.
Осуществляют подсоединение насосного агрегата к бурильной колонне труб и подают под давлением и с заданным расходом рабочую жидкость в устройство.
По продольным пазам 27 в регулировочной гайке 26 рабочая жидкость поступает в осевой канал 3 соединительного патрубка 2 и далее через продольные пазы 5 в седле 4 подается в кольцевое пространство 45, откуда через дроссельный канал 6, проточку 7 поступает в кольцевую камеру 9. Через радиальные отверстия 14 рабочая жидкость проходит в кольцевую камеру 15, связанную радиальными отверстиями 35 в теле полого штока 12, с кольцевым зазором между телом гильзы 17 и полым штоком 12 и подается к сливным отверстиям 34, перекрытым клапаном 36.
Поскольку расход рабочей жидкости через дроссельный канал 6 превосходит расход по кольцевому зазору между телом гильзы 17 и полым штоком 12, то происходит рост давления в осевом канале бурильной колонны труб и осевом канале 3 соединительного патрубка 2. Избыточное давление рабочей жидкости воспринимается шаровым клапаном 24, опирающимся на седло 23, что приводит к подвеске перфорированной клетки 22 через регулировочную гайку 26 на торце опорного седла 29. Избыточное давление рабочей жидкости воспринимается площадью поперечного сечения толкателя 18. Усилие от восприятия перепада давления через регулировочную гайку 20 сообщается на пружину 19 и приводит к перемещению толкателя 18 относительно соединительного патрубка 2 с седлом 4. При этом происходит отход от контакта гильзы 17 с телом торцового клапана 11 и открытием свободной гидравлической связи кольцевой камеры 15 через радиальные отверстия 35 и сливные отверстия 34, с осевым каналом 33 гильзы 17. Это приводит к резкому падению давления рабочей жидкости в кольцевой камере 15 под кольцевым поршнем 10, с сохранением воздействия избыточным давлением на кольцевую площадь торцового клапана 11, со стороны кольцевого пространства 45.
Это приводит к резкому перемещению кольцевого поршня 11 с полым штоком 12 вниз относительно стакана 8 со сжатием пружины 16 и удару породоразрушающим элементом по поверхности проппантовой пробки. При этом образуется свободная гидравлическая связь осевого канала 3 через продольные пазы 5 и кольцевое пространство 45 с дренажными отверстиями 32 в теле торцового клапана 11 и сливными отверстиями 34 в теле гильзы 17, с ее осевым каналом 33. Клапан 38 откидывается вниз со сжатием пружины 37 и рабочая жидкость с увеличенным расходом выбрасывается в скважину, также воздействуя на поверхность проппантовой пробки. Давление в осевом канале 3 снижается и, усилием сжатой пружины 16 торцовый клапан 11 входит во взаимодействие с седлом 4 и перекрывает прямую подачу рабочей жидкости к дренажным отверстиям 32.
Усилием сжатой пружины 19 толкатель 18 вместе с гильзой 17 возвращаются в исходное положение и еще больше поджимают торцовый клапана 11 к седлу 4 за счет восприятия давления рабочей жидкости.
Происходит вновь рост давления в осевом канале 3 соединительного патрубка 2. Рабочая жидкость через дроссельный канал 6 вновь подается в кольцевую камеру 9 и кольцевую камеру 15 с набором давления во всей системе.
Следует отметить, что площадь поперечного сечения кольцевого поршня 10 со стороны кольцевой камеры 15 принята больше площади поперечного сечения торцового клапана 11, воспринимающего давление рабочей жидкости со стороны кольцевого пространства 45. Расход рабочей жидкости через дроссельный канал 6 превосходит расход рабочей жидкости по кольцевому зазору между гильзой 17 и полым штоком 12.
Процесс разрушения проппантовой пробки ведется с плавным перемещением бурильной колонны труб с устройством вниз, при сохранении подачи восходящего потока промывочной жидкости с частицами проппанта по межтрубному пространству скважины.
При снижении расхода рабочей жидкости, выходящей из межтрубного пространства, что служит сигналом о поглощении ее частично продуктивным пластом, осуществляют переключение подачи рабочей жидкости в межтрубное пространство скважины с обеспечением заданной скорости восходящего потока в осевом канале бурильной колонны труб.
Поток рабочей жидкости захватывает механические частицы проппанта, разрушенные в предыдущем цикле, транспортирует по осевому каналу гильзы 17 и осевому каналу 21 толкателя 18 к шаровому клапану 24 и открытием подачи потока через перфорированную клетку 22 в осевой канал бурильной колонны труб. При этом перфорированная клетка 22 шарового клапана 24 перемещается вверх в осевом канале 21 толкателя 18 до торцового контакта опорным выступом 25 с конической посадочной поверхностью 30 опорного седла 29.
Тем самым предотвращается несанкционированная подача смеси рабочей жидкости с проппантом внутрь канала 3 под опорным седлом 29 и попадание механических частиц в дроссельный канал 6 и к месту посадки торцового клапана 11 с седлом 4. Клапан 38 при этом процессе усилием сжатой пружины 37 прижимается к конической поверхности 36, с дополнительным поджатием перепадом давления, что также исключает попадание механических частиц внутрь устройства.
После проведения обратной промывки переключают подачу рабочей жидкости с обратной на прямую и осуществляют повторный процесс разрушения проппантовой пробки.
Источники информации
1. Патент РФ №2242585, Кл. МКИ 7 Е21В 37/00; 21/00, опубл. 20.12.2004 г. Бюл. №35.
2. Авт.св. СССР №1539303, Кл. МКИ 5 Е21В 4/14, опубл. 30.01.90 г. Бюл. №4.
3. «Гидроударное устройство» (прототип) Тр. НПО «Бурение». Вып 15. «Современная техника и технология закачивания скважин и бурения боковых стволов», с.363-371.