ВНУТРИСКВАЖИННАЯ ШТАНГА ДЛЯ СБИВКИ СЛИВНОГО КЛАПАНА

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей и вододобывающей промышленностям, а именно к изделиям, воздействующим внутри скважин на активируемые (сбивные) устройства перед глушением скважины, например на сбивные элементы, сбивные клапаны.
Выполнение работ по ремонту скважин, например извлечение изношенного насосного оборудования УЭЦН для замены его новым, требует предварительного открытия сливного (сбивного) клапана, если таковой установлен во внутрискважинной подвеске, путем сброса штанги с устья скважины. В современной практике нередко активационный инструмент (штанга) не выполняет запроектированную функцию активации устройств, например сбивных элементов, сбивных клапанов и т.п. вследствие остановки во внутрискважинном или внутритрубном пространстве, или воздействия на активируемые (сбивные) устройства с недостаточной силой.
К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относятся: лобовое сопротивление при движении, силы трения, прохождение внутримуфтовых интервалов труб, траектория кривизны скважины в процессе перемещения штанги до активируемого устройства.
Усовершенствование активационного инструмента повышает эффективность его применения.
Насосно-компрессорные колонны, спускаемые в нефтяные скважины с электроцентробежными насосами, оборудуют клапанным узлом, включающим установленный в колонне выше насоса клапан, предназначенный для опрессовки колонны и предотвращения слива жидкости во время остановки насоса [Нефтепромысловое оборудование: Справочник / Под ред. Е.И. Бухаленко. - 2 изд., перераб. и доп. - М.: Недра, 1990, - с. 116-119, рис. 4.1.]. Как правило, над опрессовочным клапаном устанавливают сбивной сливной клапан [Патент РФ №2014438, МКИ Е21В 34/06, 1994].
Недостатком клапанного узла является невысокая надежность его функционирования. При длительной остановке, особенно, в скважинах с большим количеством механических примесей, песок, оседающий над опрессовочным клапаном, засыпает и сливной клапан. Кроме того, лом, брошенный с поверхности, не всегда точно ударяет в сбивной клапан. Клапан остается цел, а лом заклинивает, что значительно усложняет дальнейшие операции в скважине.
Известен в патенте RU 2131510, в котором описывается устройство для очистки скважины от парафина. Устройство имеет заостренный направляющий конец, которым осуществляют активацию сбивного клапана после очистки скважины от парафина. В данном случае привлекается геофизическая партия (отряд) для проведения работ на канате (тросе, проволоке) с целью осуществления очистки скважины от образовавшихся отложений, что является дополнительным привлечением ресурсов и увеличением времени на ремонт скважины.
Наиболее близким аналогом является клапанный узел для колонны насосно-компрессорных труб [патент RU 48575 U, опубл.: 27.10.2005], содержащий опрессовочный клапан, расположенный над ним сбивной сливной клапан и сбрасываемое в скважину приспособление для сбивки сливного клапана, отличающийся тем, что между опрессовочным и сливным клапанами установлена, по крайней мере, одна насосно-компрессорная труба, проходное сечение непосредственно над сбивным клапаном сужено для направления на него приспособления для сбивки, причем приспособление для сбивки сливного клапана выполнено из насосной штанги, на нижний конец которой навинчен конус.
Недостатком известного решения является конструктивное выполнение элемента штанги в виде конца с навинченным конусом. Данный тип конструкции направляющего конца подходит только для применения с указанным в прототипе клапаном, который имеет сужающееся направление для сбивного устройства. Если такое сбивное устройство с конусом использовать на стандартных клапанах, то в момент касания конусом сбивного клапана, будет происходить соскальзывание конуса со сбивного штифта, и удар, фактически, получится не прямым, а больше боковым, а штифт от надлома может упереться в НКТ с любого бока, при этом продолжая гасить инерцию штанги, и т.о. штангу может заклинить. В таком случае, отверстие для слива откроется не полностью, а только частично, что является однозначным недостатком.
Геометрическая форма тела штанги не является оптимальной для скольжения внутри скважины, т.к. на представленном в прототипе конусе он навинчен в штангу, при этом конструкция имеет выступы по направлению движения. В районе данных выступов возникнет больше вихревых потоков, тормозящих штангу, а кроме того, данные выступы могут сталкиваться с торцевыми элементами колонн при движении, или сталкиваться с асфальтосмолопарафиновыми отложениями, значительно гася скорость движения штанги.
Задачей полезной модели является устранение недостатков прототипа и иных известных решений.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности технологических операций заявленной конструкцией внутрискважинной штанги, которая при использовании набирает  кинетическую энергию, по сравнению с применяемым на сегодняшний день инструментом, что позволяет проходить участки различной сложности на пути передвижения.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлена внутрискважинная штанга для сбивки сливного клапана перед глушением скважины, выполненная из твердого материала, отличающаяся тем, что имеет поверхностное покрытие, нижняя часть штанги выполнена с направляющим концом в форме сферического сегмента, а поверхность штанги выполнена шероховатой. Предпочтительно, штанга выполнена с возможностью изгиба под действием физических сил окружающих факторов за счет использования гибкой составной конструкции в одной или нескольких ее частях.
Предпочтительно, направляющий конец выполнен округлым или сужающимся, или заостренным.
Предпочтительно, штанга имеет смещенный центр тяжести в сторону направляющего конца.
Предпочтительно, направляющий конец выполнен имеющим фаску или несколько фасок.
Предпочтительно, штанга имеет одно или несколько шасси.
Предпочтительно, штанга имеет ловильную головку.
Предпочтительно, штанга имеет всю поверхность или ее нижнюю часть не ниже второго класса шероховатости.
Предпочтительно, штанга имеет дополнительную поверхностную обработку олеофобным, гидрофобным, или сверхгидрофобным видами покрытий, либо их совокупностью.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена штанга с ловильной головкой, шасси и направляющим концом, на Фиг. 2 - муфтовое соединение труб в разрезе, на Фиг. 3 - общий вид отложения парафина на внутренней стенке трубы.
На чертежах: 1 - ловильная головка, 2 - шасси, 3 - зауженный направляющий конец, 4 - заостренный направляющий конец, 5 - усеченный зауженный направляющий конец, 6 - направляющий конец, имеющий фаску или несколько фасок, 7 и 8 - соединяемые между собой трубы, 9 - соединительная муфта, 10 - резьба муфты, 11 - конец нижней трубы, 12 - отложения парафина.
Осуществление полезной модели
Внутрискважинная штанга (см. Фиг. 1) для сбивки сливного клапана перед глушением скважины может быть выполнена на металлической основе, при этом нижняя часть штанги выполнена в форме сферического сегмента или шарового слоя, с направляющим концом 3, направляющий конец 3 может иметь фаску или несколько фасок 6.
Принципиальным отличием предлагаемого устройства в таком исполнении является:
1. Минимизация лобового сопротивления при движении штанги за счет оптимизации формы тела изделия, в том числе направляющего конца.
2. Минимизация сил трения за счет применения классов шероховатости к поверхности штанги, в том числе обработанной гидрофобным, сверхгидрофобным или олеофобным вариантами покрытия внешней поверхности изделия, или их совокупностью, частично или полностью.
3. Минимизация влияния внешних факторов на скорость движения изделия в рабочей среде за счет оптимизации формы тела изделия.
За счет перечисленных мер как в совокупности, так и по отдельности, заявленная конструкция внутрискважинной штанги набирает  кинетическую энергию, по сравнению с применяемым на сегодняшний день инструментом, что позволяет проходить участки различной сложности на пути передвижения, например, участки с отложениями парафинов на внутренних стенках труб, переходники труб на меньший внутренний диаметр, изменение углов наклона скважины от вертикали.
Достижение указанного технического результата обосновано следующими причинами. При обтекании твердого тела поток подвергается деформации, что приводит к изменению скорости и давления в струйках потока. Таким образом, около поверхности обтекаемого тела создается область переменных скоростей и давлений жидкости. Наличие различных по величине давлений у поверхности твердого тела приводит к возникновению гидродинамических сил и моментов. Распределение этих сил зависит от характера обтекания тела, его положения в потоке, конфигурации тела.
Кроме сил давления, на поверхность активационного инструмента по касательной к нему действуют силы трения, которые обусловлены вязкостью флюида и целиком определяются процессами, происходящими в пограничном слое.
Сопротивление трения возникает вследствие проявления вязкости жидкости в пограничном слое обтекающего профиля активационного инструмента. Величина сил трения зависит от структуры пограничного слоя и состояния обтекаемой поверхности активационного инструмента (его шероховатости). В ламинарном пограничном слое флюида сопротивление трения меньше, чем в турбулентном пограничном слое. Следовательно, чем большую часть поверхности активационного инструмента обтекает ламинарный пограничный слой потока флюида, тем меньше сопротивление трения. Наилучшей в гидродинамическом отношении для направляющего конца, является форма сферического сегмента. Это позволяет развить высокую скорость движения инструмента во флюиде, по сравнению с другими аналогами, так как флюид в таком случае плавно обтекает направляющий конец, преимущественно создавая ламинарное движение, но не вихревое.
При исполнении направляющего конца шаровым слоем, фактически гарантируется прямое попадание в штифт сливного клапана (а у конуса в прототипе при соскальзывании, получается только боковой удар).
Основное отличие: нижняя часть штанги выполнена в форме сферического сегмента или шарового слоя. Сферический сегмент - часть сферы, отсекаемая от нее некоторой плоскостью. Плоскость отсекает два сегмента, меньший сегмент называется также сферическим кругом. Если плоскость проходит через центр сферы, так что высота обоих сегментов равна радиусу сферы, то такие сферические сегменты называют полусферой. Шаровой слой - часть шара, ограниченная двумя параллельными плоскостями, пересекающими шар.
Могут быть допустимы каналы, рытвины или проточины на теле штанги или любой из ее частей в случае если они не влияют на общий исход активирующей или сбивной операции.
Величины (размеры) фаски или фасок направляющего конца, в таком случае обязаны способствовать направлению штанги в места меньшего сопротивления при передвижении, учитывая строение скважины, технические особенности спущенной подвески и особенности эксплуатации скважины до ремонта.
Для пояснения сложности прохождения штангой или скважинным инструментом внутримуфтовых интервалов труб на Фиг. 2 показано соединение двух труб 7 и 8 посредством муфты 9 в разрезе. При прохождении данного отрезка, без использования доработанного направляющего конца, штанга имеет высокую вероятность столкновения с открытой резьбой муфты 10 и с концом нижней трубы 11 внутри муфты, в результате чего происходит гашение скорости движения штанги. Учитывая, что во внутрискважинной подвеске бывает до нескольких сотен труб, и каждое соединение представляет собой потенциальное снижение скорости для штанги, направляющий конец штанги будет играть важную роль при прохождении таких отрезков для сохранения  кинетической энергии.
Для пояснения сложности прохождения штангой или скважинным инструментом интервалов труб с наличием парафина или иными отложениями на Фиг. 3 представлен общий вид отложения парафина 12 на внутренней стенке трубы. Парафин влияет на силы трения движущейся штанги. Направляющий конец уводит штангу в свободную от парафина зону. Усовершенствованная форма штанги шероховатом исполнении ее нижней части с направляющим концом, а также с повышенным классом шероховатости поверхности штанги или ее части ее поверхности, в том числе обработанная гидрофобным, сверхгидрофобным или олеофобным покрытием позволяет минимизировать потери на преодоление сил трения при прохождении подобных участков в том числе.
Наличие на штанге (Фиг. 1) ловильной головки 1 позволяет доставать штангу из скважины в случае необходимости. Также возможно использование штанги без ловильной головки. Количество шасси 2 может варьироваться, либо не применяться в конструкции. Шасси 2, как элемент конструкции штанги целесообразно применять если угол отклонения скважины от вертикали значителен.
Применение гидрофобного, сверхгидрофобного или олеофобного покрытий способствуют минимизации сил трения штанги с рабочей средой.
Результатом применения штанги будет полное или частичное исключение сбоев активации или сбивания устройств во внутрискважинном или внутритрубном пространстве, впоследствии, влияющих на дальнейшие работы, например, на начало, длительность и непрерывность. Например, в случае неудачной активации сбивного клапана штангой перед глушением скважины, следующим этапом может следовать монтаж геофизического оборудования и проведение комплекса работ по открытию циркуляционного отверстия, увеличивающий время ремонта скважины. Таким образом, при применении усовершенствованной штанги снижаются потенциальные временные потери добычи природных ресурсов, например, нефти и газа, а также уменьшается вероятность привлечения дополнительных ресурсов для осуществления активации (сбивания) устройств.