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

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. E21B 37/00, E21B 21/00, опубл. 20.12.2004 г.), содержащее переходный модуль, полый корпус, жестко соединенный в нижней части с наружной ударной коронкой (кожухом), снабженной торцевыми зубьями, рабочую (расширительную) камеру, механизм разрушения, коаксиально установленный в полом корпусе, включающий полый шток, внутреннюю ударную коронку, снабженную торцовыми зубьями и имеющую радиальные каналы, закрепленную на полом штоке, и клапан. Механизм разрушения подпружинен относительно полого корпуса. Внутренняя ударная коронка имеет осевое дроссельное отверстие. Полый корпус имеет циркуляционные отверстия.
Недостатком указанного устройства является следующее:
низкая эффективность разрушения песчаной пробки из-за слабого удара, наносимого ударными коронками. Накопление давления для перемещения механизма разрушения происходит в колонне труб вследствие сопротивления, возникающего при прохождении рабочего агента через радиальные каналы ударной коронки и осевое дроссельное отверстие. Конструктивно указанные каналы и отверстие всегда открыты, следовательно, в накоплении энергии участвует лишь часть рабочего агента, которая не может создать большое давление;
низкое качество очистки от продуктов разрушения из-за того, что увеличение скорости восходящего потока происходит при открытии циркуляционных отверстий в корпусе, расположенных вне зоны разрушения. 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;
низкая надежность работы, связанная с затруднением возврата механизма разрушения в исходное положение из-за невозможности полного сброса давления в осевом канале устройства и недостаточной упругой силы пружины для преодоления указанного давления.
В качестве прототипа выбрано устройство для очистки скважины от песчаной пробки (см. п. №2315174 от 22.05.2006 г., по кл. E21B 37/00, опубл. 20.01.2008 г.), содержащее переходный модуль, полый корпус, жестко соединенный в нижней части с наружной ударной коронкой, снабженной торцовыми зубьями и 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 и имеющую наклонные, направленные вниз радиальные каналы, закрепленную на полом соединительном штоке, и клапан, установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения посредством пружины. 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. Между внутренней ударной коронкой и корпусом образована полость, гидравлически связанная с наклонными, направленными вверх радиальными отверстиями наружной ударной коронки.
Недостатками устройства является следующее:
низкая эффективность разрушения песчаной пробки 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. Причем в рабочую камеру, образованную переводником, попадает лишь часть рабочего агента, так как открыт осевой гидравлический канал, по которому через наклонные, направленные вниз радиальные каналы другая часть в виде струи воздействует на песчаную пробку;
низкое качество очистки от продуктов разрушения из-за того, что вынос осуществляется струей, которая обладает низкой кинетической энергией и скоростью выброса рабочего агента, обусловленных гидравлическими потерями. Наружная ударная коронка имеет наклонные, направленные вверх радиальные отверстия, однако они предназначены для снижения гидравлических потерь при движении внутренней ударной коронки вверх для вытеснения рабочего агента из полости, расположенной между внутренней ударной коронкой и корпусом, и не принимают участие в улучшении качества выноса частиц разрушения;
низкая надежность в работе, обусловленная сложной кинематической схемой работы конструкции устройства, предполагающей как осевое перемещение деталей, так и их вращение.
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. Кроме того, повышается надежность работы устройства, связанная с упрощением кинематической схемы, с конструктивным выполнением рабочей камеры и обеспечением подачи смазывающего материала между стенкой корпуса и упругими элементами рабочей камеры для снижения сил трения, возникающих между ними.
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 и 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 и имеющую наклонные, направленные вниз радиальные каналы, закрепленную на полом соединительном штоке, и клапан, установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения.
Заявляемая конструкция дополнительно содержит полую разгрузочную штангу, соосно установленную в полом корпусе, жестко связанную с переходным модулем и имеющую два ряда сквозных продольных пазов.
Переходный модуль по заявляемой конструкции состоит из полого штока с ограничительной гайкой.
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 и имеет торцовое резьбовое отверстие с установленной в нем масленкой и наклонным каналом, направленным к полому корпусу. 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. При этом внутренняя поверхность нижней закладной детали в средней части выполнена в виде седла под клапан механизма разрушения.
Внутренняя ударная коронка механизма разрушения имеет наклонные, направленные вверх радиальные каналы. 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 установлен в полости разгрузочной штанги и имеет два ряда сквозных продольных пазов.
В радиальных резьбовых отверстиях средней закладной детали рабочей камеры установлены штифты, свободные концы которых сквозь верхний ряд сквозных продольных пазов полой разгрузочной штанги размещены в верхнем ряду сквозных продольных пазов клапана.
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 на фиг.1.
На фиг.3 представлено поперечное сечение устройства по линии Б-Б на фиг.1.
На фиг.4 представлено поперечное сечение устройства по линии В-В на фиг.1.
На фиг.5 представлен график зависимости относительного удлинения от напряжения в поперечном сечении эластичного элемента.
Заявляемое устройство для очистки скважины от песчаной пробки содержит переходный модуль, состоящий из полого штока 1 и ограничительной гайки 2, полый корпус 3. Полый корпус 3 жестко соединен в нижней части с наружной ударной коронкой 4 и подпружинен относительно переходного модуля через переводник (фиг.1). Переводник выполнен в виде накидной гайки 5. Полый корпус 3 имеет на внутренней поверхности бурт 6. Наружная ударная коронка 4 снабжена торцовыми зубьями 7 и имеет наклонные, направленные вверх радиальные отверстия 8.
Устройство содержит рабочую камеру, расположенную в полом корпусе 3. Рабочая камера состоит из трех закладных деталей - верхней закладной детали 9, средней закладной детали 10 и нижней закладной детали 11 с общим осевым каналом, вваренных в эластичные элементы 12 (фиг.2). Верхняя закладная деталь 9 поджата к бурту 6 полого корпуса 3 накидной гайкой 5 через распорную втулку 13 и имеет торцовое резьбовое отверстие с установленной в нем масленкой 15 и наклонным каналом 16, направленным к полому корпусу. Средняя закладная деталь 10 имеет четыре радиальных резьбовых отверстия 17 (фиг.3).
Устройство содержит механизм разрушения, коаксиально установленный в полом корпусе 3. Механизм разрушения включает полый соединительный шток 18, внутреннюю ударную коронку 19, закрепленную на нем, и клапан 20. Клапан 20 установлен с возможностью ограниченного осевого перемещения. Внутренняя ударная коронка 19 снабжена торцовыми зубьями 21 и имеет наклонные, направленные вниз и вверх радиальные каналы 22, 23 (фиг.4). Наклонные, направленные вверх радиальные отверстия 8 наружной ударной коронки 4 выполнены длиной, обеспечивающей их совмещение с наклонными, направленными вверх радиальными каналами 23 внутренней ударной коронки 19 при нахождении механизма разрушения в крайнем нижнем положении.
Устройство содержит полую разгрузочную штангу 24, соосно установленную в полом корпусе 3, жестко связанную с переходным модулем. Полая разгрузочная штанга 24 имеет два ряда сквозных продольных пазов 25.
Нижняя закладная деталь 11 рабочей камеры выполнена с выступом 26 в нижней части, связанным резьбовым соединением с полым соединительным штоком 18 механизма разрушения. Внутренняя поверхность нижней закладной детали 11 в средней части выполнена в виде седла 27 под клапан 20 механизма разрушения. Клапан 20 механизма разрушения установлен в полости разгрузочной штанги 24 и имеет два ряда сквозных продольных пазов 28. В радиальных резьбовых отверстиях 17 средней закладной детали 10 рабочей камеры установлены штифты 29, свободные концы которых сквозь верхний ряд сквозных продольных пазов 25 полой разгрузочной штанги 24 размещены в верхнем ряду сквозных продольных пазов 28 клапана 20.
Количество сквозных продольных пазов 25, 28 полой разгрузочной штанги 24 и клапана 20 механизма разрушения, количество резьбовых отверстий 17 в средней закладной детали 10 рабочей камеры и соответственно количество штифтов 29 выполняют исходя из конструктивных размеров и осевых растягивающих усилий.
А количество наклонных, направленных вверх и вниз радиальных каналов 23, 22 внутренней ударной коронки 19, рассчитывают в зависимости от типоразмера устройства.
Устройство работает следующим образом.
Устройство спускают в скважину на колонне гибких труб до контакта наружной ударной коронки 4 с песчаной пробкой. Подают рабочий агент, в качестве которого могут быть использованы высокоаэрированные растворы, пенные системы или газ. Клапан 20 механизма разрушения находится в седле 27 нижней закладной детали 11 рабочей камеры, перекрывая тем самым проходное сечение седла. Рабочий агент через канал полого штока 1 и полой разгрузочной штанги 24 через сквозные продольные пазы 25 в полой разгрузочной штанге 24 и сквозные продольные пазы 28 в клапане 20 передает давление на эластичные элементы 12 рабочей камеры. Эластичные элементы 12 деформируются в радиальном направлении и растягиваются в осевом направлении, обеспечивая при этом повышение давления в рабочей камере, пропорционально относительному растяжению эластичных элементов 12. 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.
Накапливание кинетической энергии происходит за счет упругих сил эластичных элементов 12. Растягивающее усилие в эластичном элементе 12 определяется произведением площади его поперечного сечения на напряжение, возникающее в указанном сечении. В свою очередь напряжение в поперечном сечении эластичного элемента 12 будет зависеть 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 12.
Нижняя закладная деталь 11 рабочей камеры и эластичный элемент 12, соединяющий ее со средней закладной деталью 10, двигаются с большой скоростью вниз, приводя к поступательному ударному движению через полый соединительный шток 18 внутреннюю ударную коронку 19. В рабочей камере клапан 20 механизма разрушения двигается одновременно вниз в седле 27 нижней закладной детали 11 относительно полой разгрузочной штанги 24 и при выборе свободного хода (момент посадки верхних торцов сквозных продольных пазов 28 клапана 20 на штифты 29, установленные в резьбовых отверстиях средней закладной детали 10) останавливается. Нижняя закладная деталь 11 продолжает движение вниз, что приводит к открытию осевого канала седла, обеспечивающего гидроудар струями рабочего агента через наклонные, направленные вниз радиальные каналы внутренней ударной коронки 19, и совмещению наклонных направленных вверх радиальных каналов 23 внутренней ударной коронки 19 с радиальными отверстиями 8 наружной ударной коронки 4. Рабочий агент с повышенным давлением и большой скоростью по осевому каналу полого соединительного штока 18 выбрасывается через наклонные, направленные вверх радиальные каналы 23 внутренней ударной коронки 19 и наклонные, направленные вверх радиальные отверстия 8 наружной ударной коронки 4. Выброс рабочего агента происходит в импульсном режиме в направлении выноса частиц продуктов разрушения, создается веерный гидравлический пакер, способствующий качественному захвату и выносу продуктов разрушения песчаной пробки из скважины.
Происходит сброс давления в рабочей камере и внутренняя ударная коронка 19, полый соединительный шток 18 и нижняя закладная деталь 11 рабочей камеры внутренними упругими силами эластичного элемента 12 рабочей камеры возвращаются в исходное положение. Упругие силы эластичного элемента 12 превышают значение сил, создаваемых давлением рабочего агента, что обеспечивает надежность работы устройства. Масленка 15, установленная в торцовом резьбовом отверстии 14 верхней закладной детали 9, обеспечивает заполнение смазывающим материалом пространства между стенкой корпуса и эластичными элементами 12 по наклонному каналу 16. Смазывающий материал снижает силы трения, возникающие между ними, обеспечивая надежность работы устройства. Заполнение смазывающим материалом указанного пространства осуществляется в момент монтирования устройства. Уплотнительные резиновые кольца, установленные в верхней 9 и нижней 11 закладных деталях, предотвращают вытеснение смазывающего агента.
Клапан 20 механизма разрушения садится в седло 27 нижней закладной детали 11, перекрывая осевой канал седла 27.
В момент накопления энергии в рабочей камере средняя закладная деталь 10 сохраняет исходное положение, что достигается наличием в ней радиальных резьбовых отверстий 17 и благодаря расположению и конструктивному выполнению полой разгрузочной штанги 24, позволяющих обеспечить опору штифтов 29, установленных в указанных радиальных резьбовых отверстиях 17, на нижние торцы сквозных продольных пазов 25 верхнего ряда полой разгрузочной штанги 24.
Одновременно с движением нижней закладной детали 4 происходит осевое перемещение верхней закладной детали 9 вверх, которая через распорную втулку 13 передает движение накидной гайке 5, полому корпусу 3 и наружной ударной коронке 4. 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 4 по песчаной пробке.
При перекрытии клапаном 20 механизма разрушения осевого канала седла 27 нижней закладной детали 11 весь рабочий процесс повторяется.
Таким образом, конструктивное выполнение рабочей камеры и ее взаимосвязь с другими элементами устройства позволяют за один рабочий цикл подъема и сброса давления в ней наносить два мощных удара по песчаной пробке, так как при движении внутренней ударной коронки 19 вниз наружная ударная коронка 4 поднимается вверх, при движении внутренней ударной коронки 19 вверх наружная ударная коронка 4 движется вниз. Происходит эффективное разрушение песчаной пробки, определяемое силой удара, а также мощностью струи, производящей как разрушение, так и качественную очистку.
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. При работе с колонной гибких труб условным диаметром 38 мм используют устройство массой (нетто) 14,8 кг, имеющее следующие габариты:
длина, мм
680
наружный диаметр, мм
76.
В полой разгрузочной штанге 24 выполнены 2 ряда сквозных продольных пазов по 4 в каждом. Количество резьбовых отверстий в средней закладной детали 10 рабочей камеры и соответственно количество штифтов 29, а также количество сквозных продольных пазов 28 клапана 20 механизма разрушения в каждом ряду равно 4. Внутренняя ударная коронка 19 имеет 8 наклонных, направленных вверх 23 и вниз 22 радиальных каналов. Наружная ударная коронка 4 имеет 8 наклонных, направленных вверх радиальных отверстий 8, выполненных длиной 56 мм.
Все места, требующие герметичности, уплотняют резиновыми кольцами, выполненными по ГОСТ 9833-73.
2
2
Эластичные элементы 12 рабочей камеры выполняют из резины марки 7-57-2012 группы VI-1б-10 по ТУ 2512-046-00152081-2003. Из характеристики упругости эластичного элемента 12 имеют зависимость относительного удлинения от напряжения в поперечном сечении эластичного элемента 12 до предельно допустимого значения. По графику (фиг.5) фактическое относительное удлинение составляет 450%, предельное напряжение при этом 210 кг/см. При относительном удлинении 300% напряжение в поперечном сечении равно 140 кг/см. Растягивающее усилие в эластичном элементе 12 определяют по формуле
p
p
эл
F=σ·S,
p
где F - растягивающее усилие, кг,
p
2
σ - напряжение в поперечном сечении эластичного элемента, кг/см,
эл
2
S - площадь поперечного сечения эластичного элемента, см.
p
F=140·13,4=1876 кг.
В рабочей камере в процессе работы создается давление, определяемое по формуле
в
p
p
P=F/S,
в
где P - давление в рабочей камере при работе, кг,
p
2
S - рабочая площадь, которая образуется в рабочей камере при работе, см,
в
2
P=1876/23,4=80 кг/см.
Это давление обеспечивает создание мощной гидромониторной струи и удары внутренней 19 и наружной 4 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.