Противополетное устройство для насосно-компрессорных труб
ANTI-FLOATING DEVICE FOR TUBING

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности, к устройствам для фиксирования колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) в обсадной колонне и предназначен при добыче пластового флюида скважинными штанговыми насосными установками или электроцентробежными насосами (ЭЦН) для предотвращения падения НКТ на забой скважины при аварии. Такие устройства в области нефтедобывающей промышленности называются противополетными или якорями.
Известно противополетное устройство для электроцентробежного, насоса, содержащее верхний и нижний переводники, ствол с жестко установленным в его верхней части опорным кольцом, расположенные на стволе с возможностью взаимодействия амортизирующий узел с конусом и заякоривающий механизм, причем на стволе ниже конуса выполнен фигурный паз, имеющий осевые короткий и длинный участки, в котором размещен направляющий штифт, конус выполнен в виде наружной двухступенчатой кольцевой выборки, а заякоривающий механизм выполнен в виде подпружиненной наружу цанги с направляющим штифтом, размещенной подвижно на наружной поверхности ствола напротив фигурного паза, при этом продольные короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги относительно ствола направляющий штифт будет расположен то в продольном коротком участке фигурного паза -транспортное положение, в котором цанга с одной стороны взаимодействует с нижним торцом нижней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки конуса, а с другой - с внутренними стенками эксплуатационной колонны, то в продольном длинном участке фигурного паза - рабочее положение, при этом цанга с одной стороны взаимодействует с нижним торцом верхней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки конуса, а с другой - с проточкой муфты эксплуатационной колонны, причем амортизирующий элемент выполнен в виде пружины сжатия, а между стволом и верхним переводником установлена заглушенная снизу шламоклямсоулавливающая камера (RU 2455454, Е21В 23/00, опубл. 10.07.2012 г.).
Недостаток данного известного решения заключается в сложности подготовки этого противополетного устройства к эксплуатации. Так, в описании указано, что на стволе в верхней части ниже опорного кольца с возможностью взаимодействия размещены амортизирующий узел, выполненный в виде пружины сжатия с конусом и заякоривающим механизмом. При этом конструктивные размеры пружины сжатия (диаметр пружины, диаметр витка, шаг и др.) подбираются расчетным путем исходя из наружного диаметра ствола и веса ЭЦН в зависимости от его типоразмера, длины и типоразмера колонны труб, на которой спущен электроцентробежный насос. Кроме того, заякоривающий механизм, выполненный в виде подпружиненной наружу цанги, находится в транспортном положении и должен удерживаться в этом положении вручную, вплоть до начала входа устройства в эксплуатационную колонну при спуске инструмента. А на устье скважины при СПО запрещено держать оборудование руками в целях обеспечения безопасности обслуживающего персонала.
В процессе спуска устройства в составе колонны труб с ЭЦН в эксплуатационную колонну скважины подпружиненная наружу цанга находится в транспортном положении, т.е. с одной стороны взаимодействует с нижним торцом нижней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборкой конуса, а с другой - с внутренними стенками эксплуатационной колонны. То есть цанга будет соскребать со стенок эксплуатационной колонны весь парафин, механические примеси и т.д., которые затем попадут на пружину и на прием насоса.
При аварийной ситуации предполагается, что с устья скважины посредством колонны труб всю компоновку поднимают вверх примерно на 1 метр и опускают для перевода устройства из рабочего положения в транспортное. Но при аварийных работах, когда произвели залавливание компоновки, нельзя производить спуск вниз из-за возможного схода ловильного инструмента.
Таким образом, перед каждым спуском в скважину возникает необходимость в расчетах под каждую конкретную скважину и большом количестве запасных пружин, что, естественно, сильно усложняет эксплуатацию устройства.
Так же известен якорь противополетный, содержащий трубу для прохода жидкости с жестко установленной в верхней части опорной втулкой, размещенный на трубе амортизирующий узел в виде пружины сжатия с конусообразным поршнем и заякоривающий механизм, имеющий раздвижные плашки, при этом поршень зафиксирован на трубе с помощью растворяемого элемента, который выполнен в виде кольца, размещенного под основанием поршня (RU 2654088, Е21В 23/00, Е21В 33/129, опубл. 16.05.2018 г.). Данное решение принято в качестве прототипа.
Особенностью данного решения является применение растворяемого в пластовой жидкости штифта, который растворяется в течение от 1 до 15 суток. При использовании в разных геологических условиях невозможно предугадать время, за которое растворится элемент (штифт). Это временное ограничение или условие затрудняет установление реального начала стопорения оборудования. После растворения штифта поршень под действием пружины начинает двигаться вниз и разжимает плашки, которые упираются в стенку обсадной колонны. В случае возникновения разгрузки веса оборудования на якорь (при обрыве НКТ, перерезании газосепараторов и т.д.) увеличивается усилие на упирающиеся плашки, в результате чего они с большим усилием «врезаются» в стенку обсадной колонны и предотвращают падение погружного оборудования на забой скважины. Но по наружнему диаметру возможен присып мех.примесями и прихват якоря и всей внутрискважинной компоновки. Таким образом, особенностью данного устройства является то, что оно изначально взаимодействует со стенкой скважины, ограничивая проток пластовой жидкости через объем между устройством и стенкой скважины. А наличие прохода пластовой жидкости только через отверстия трубы - ограничивается приток жидкости, т.е. невозможна эксплуатация больших типоразмеров УЭЦН. Данное устройство не предусматривает эксплуатпационной ситуации, при которой обрыв может произойти при спуске (СПО) внутрискважинной компоновки, и тогда данный якорь окажется дополнительным элементом затрудняющим последующие ловильные работы.
Настоящее изобретение напрпвлено на достижение технического результата, заключающегося повышении эксплуатационной надежности за счет включения режима стопорения НКТ только при повышении давления пластовой жидкости.
Указанный технический результат достигается тем, что в противополетном устройстве для насосно-компрессорных труб, содержащем перфорированную полую трубчатую часть, на которой размещена втулка с конусообразной наружной нижней поверхностью, раздвижные в радиальном направлении от трубы плашки, расположенные ниже втулки с конусообразной наружной нижней поверхностью и выполненные со скосами на стороне, обращенной к полой трубчатой части для взаимодействия с указанной конусообразной поверхностью втулки при ходе этой втулки в направлении к плашкам, а так же заякоривающий механизм, плашки смонтированы на трубчатом элементе, который охватывает полую трубчатую часть и зафиксирован на этой части посредством срезных винтов, а заякоривающий механизм включает в себя размещенные ниже уровня расположения срезных винтов кулачки, смонтированные поджатыми в сторону стенки полой трубчатой части и выполненные со скосами на стороне, обращенной к полой трубчатой части, а так же расположенная ниже кулачков и подпружиненная в сторону кулачков втулка с конусообразной наружной поверхностью в верхней части, обращенной в сторону кулачков для взаимодействия с их скосами при ходе этой втулки в направлении к ним для их раздвигания в радиальном направлении.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - конструкция противополетного устройства для насосно-компрессорных труб.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция противополетного устройства для насосно-компрессорных труб (НКТ), используемая для предотвращения падения НКТ на забой скважины при аварии. Особенностью нового устройства является то, что при вводе его в скважину оно не имеет контакта со стенкой скважины и не создает сопротивления перемещению компоновки НКТ. Устройство срабатывает исключительно при появлении гидравлического сопротивления на элементах якоря.
В общем случае это устройство (противополетный якорь) содержит перфорированную полую трубчатую часть, на которой размещена втулка с конусообразной наружной нижней поверхностью, раздвижные в радиальном направлении от трубы плашки, расположенные ниже втулки с конусообразной наружной нижней поверхностью и выполненные со скосами на стороне, обращенной к полой трубчатой части для взаимодействия с указанной конусообразной поверхностью втулки при ходе этой втулки в направлении к плашкам, а так же заякоривающий механизм. Плашки смонтированы на трубчатом элементе, который охватывает полую трубчатую часть и зафиксирован на этой части посредством срезных винтов. Заякоривающий механизм включает в себя размещенные ниже уровня расположения срезных винтов кулачки, смонтированные поджатыми в сторону стенки полой трубчатой части и выполненные со скосами на стороне, обращенной к полой трубчатой части, а так же расположенная ниже кулачков и подпружиненная в сторону кулачков втулка с конусообразной наружной поверхностью в верхней части, обращенной в сторону кулачкой для взаимодействия с их скосами при ходе этой втулки в направлении к ним для их раздвигания в радиальном направлении.
Принцип действия этого нового якоря основан на сопротивлении внутрискважинной среды при увеличении скорости (падении) компоновки НКТ. Спуск подземного оборудования (УЭЦН) ведется при скорости 0,25 м/с. В случае обрыва от планшайбы или другой аварийной ситуации скорость перемещения компоновки НКТ значительно возрастает. В этом случае сопротивление окружающей среды (пластовой жидкости) падению выражается формулой: R=p*w*V*V.
Где: Р - плотность окружающей среды (нефть) =800 кг.м куб
w - площадь нижней поверхности якоря (дет.12) =0.0076 м.кв
V - скорость перемещения якоря(компоновки) =10 м\с.
(скорость взята по истечении 1 секунды падения)
Тогда сопротивление R=800*0.0076*10*10=608 кг.
Это сила R действует на втулку с конусообразной наружной поверхностью в верхней части, обращенной в сторону кулачкой (конус якоря). Под ее действием данная деталь, преодолевая сопротивление пружины стремится к перемещению в сторону скосов кулачков для клинового взаимодействия, что приведет к раскрытию кулачков, то есть радиальному перемещению клиновых частей кулачков. Раскрывшись, клиновые части кулачков попадут в межтрубное пространство муфты обсадной колоны, а это застопорит движение и срежет срезные (предохранительные) винты. После этого верхняя часть со стандартной системой «конус/плашки» - плашками переместится на конусообразную часть верхней втулки и застопорит движение компоновки НКТ. Ниже рассматривается пример конкретного исполнения изобретения (фиг.1).
Противополетное устройство для НКТ содержит перфорированную полую трубчатую часть 1, которая является стволом якоря или базовой деталью. В верхней части ствола предусмотрены средства скрепления с установкой штангового глубинного насоса (ШГН), УЭЦН и др. или иным приспособлением удержания якоря на компоновке НКТ (не показано иллюстративно). Ствол якоря выполняется перфорированным (то есть со сквозными отверстиями 2 в стенке) для обеспечения перетока пластовой жидкости из уровня под якорем на уровень над якорем. Так же переток проходит в объеме пространства между самим якорем и стенкой скважины.
В якоре ствол может быть выполнен из одной детали (в виде полой трубчатой части 1, как пример) или этот ствол может состоять из двух соосно расположенных трубчатых частей, как это показано на фиг. 1 (поз.1 - это верхняя часть ствола, поз 3 - это нижняя часть ствола). Обе части (в этом примере исполнения) связаны между собой механически, например, за счет втулки 4 с конусообразной наружной нижней поверхностью 5. Для первого примера такая втулка может жестко закрепляться на полой трубчатой части 1.
На стволе якоря размещены раздвижные в радиальном направлении от трубы плашки 6, расположенные ниже втулки 4 с конусообразной наружной нижней поверхностью 5 и выполненные со скосами 7 на стороне, обращенной к полой трубчатой части для взаимодействия с указанной конусообразной поверхностью втулки при ходе этой втулки в направлении к плашкам.
Эти плашки 6 закреплены посредством срезных винтов 8 (предохранительные элементы). Конструктивно плашки 6 смонтированы на отдельном трубчатом элементе 9, который охватывает полую трубчатую часть 1 и зафиксирован на этой части посредством срезных винтов 10.
Заякоривающий механизм включает в себя размещенные ниже уровня расположения срезных винтов 10 кулачки 11, смонтированные поджатыми в сторону стенки полой трубчатой части 1 и выполненные со скосами 12 на стороне, обращенной к полой трубчатой части 1.
Ниже кулачков расположена подпружиненная в сторону кулачков 11 втулка 13 с конусообразной наружной поверхностью 14 в верхней части, обращенной в сторону кулачков 11. В данном примере кулачки имеют с одной стороны шаровую опору, которой они вставлены в охватывающий часть 1 корпус 15, в котором шаровое гнездо закрыто крышкой 16. При повышении давления со стороны пластовой жидкости (при росте гидравлического сопротивления) на торцевой поверхности 17 втулки 13 возрастает давление, в результате которого эта втулка, преодолевая действие пружины 18, перемещается в сторону кулачков 11, выбирая зазор между кулачками и втулкой 13. Происходит клиновое взаимодействие конусообразной наружной поверхности 14 втулки 13 со скосами 12 кулачков 11. При клиновом воздействии происходит разворот кулачков в радиальном направлении вокруг своей шаровой опоры и затем первая фаза стопорения якоря о стенку скважины (за счет упора клиновых частей кулачков в эту стенку).
Результат прохождения первой фазы стопорения приводит к тому, что расположенные над кулачками компоненты якоря под действием силы тяжести компоновки НКТ и инерции продолжат движение вниз. При этом движении происходит срезание срезных винтов 10, освобождающих от скрепления с частью 1 трубчатого элемента 9, несущего плашки 6. Наступает вторая фаза стопорения. При дальнейшем движении вниз втулка 4 с конусообразной наружной нижней поверхностью 5 надавливает на плашки за счет клинового контакта и разводит их радиально до введения плашек в прямой упорный контакт со стенкой скважины. Завершением второй фазы стопорения является полная остановка компоновки НКТ в скважине.
Данное устройство при спуске в скважину не создает сопротивления за счет механического контакта со стенкой скважины. Для позиционирования якоря на стволе могут быть элементы центрирования якоря, исключающие угловое заклинивание якоря.
Новизна данного решения состоит в следующих моментах:
- Применяется смешанный тип срабатывания якоря - вначале от сопротивления жидкости (эффект парашюта), затем происходит срабатывание механической части.
- В отличие от аналогичных изделий, механическая часть якоря имеет два узла, предотвращающих аварийное движение компоновки НКТ на забой. Нижняя часть представлена в виде выдвигающихся кулачков-клиньев, которые не дадут переместиться компоновке ниже следующей муфты э/к, что является дополнительным узлом, обеспечивающим надежную посадку якоря при возникновении нестандартной ситуации.
- Облегченные ловильные работы. При возникновении аварийной ситуации не происходит полета компоновки НКТ на забой, перемещение составит максимум 10 метров - до очередной муфты эксплуатационной колонны (э/к). В связи с этим значительно сокращаются финансовые затраты и время проведения работ по извлечению аварийной компоновки из скважины, не происходит негативное воздействии на стенки э/к при производстве ловильных работ.