Гидромеханический ударник
HYDROMECHANICAL STRIKER

Изобретение относится к горнодобывающей промышленности, в частности к устройствам для обеспечения очистки ствола скважины от мехпримесей в подпакерной зоне.
Известно устройство для очистки скважины от песчаной пробки (см. пат. РФ № 2242585, кл. МПК Е21В 37/00, опубл. 20.12.2004 г. Бюл. № 35).
Устройство снабжено переходником, нижняя торцовая поверхность которого выполнена в виде седла. Переходник соединен нижним концом с гильзой, соединенной через муфту с разъемным полым корпусом, в верхней части которого выполнены циркуляционные отверстия, перекрытые в исходном положении эластичной мембраной. Нижняя часть корпуса содержит на торце зубья. На внутренней поверхности кожуха в кольцевой проточке размещено пружинное кольцо. В гильзе соосно установлен механизм разрушения в виде разъемного полого штока, с кольцевым поршнем. Полый шток и разъемный полый корпус образуют расширительную камеру.
Механизм разрушения и переходник имеют общий гидравлический канал. Полый шток снабжен пружиной.
Верхняя торцовая поверхность полого штока имеет форму усеченного конуса и образует с седлом торцовый клапан.
Разъемный полый шток снабжен коронкой с гидромониторной насадкой, установленной с возможностью осевого вращения.
Коронка с торцовыми зубьями снабжена радиальными каналами и осевым дроссельным отверстием. Гидромониторная насадка имеет тангенциальные каналы. Разъемный полый шток и полый корпус вместе с торцовой поверхностью верхней муфты образуют кольцевую камеру, связанную с общим осевым гидравлическим каналом через радиальные отверстия в теле разъемного полого штока. Площадь поперечного сечения кольцевой камеры равна площади поперечного сечения общего гидравлического канала.
Работа устройства.
Устройство через переходник подсоединяется к нижнему концу гибкой колонны труб и вводится в скважину. При подаче под давлением рабочей жидкости, последняя через дроссельные отверстия в коронке воздействует на поверхность песчаной пробки, с ее разрушением. Часть расхода промывочной жидкости по радиальным каналам коронки подается внутрь гидромониторной насадки, с ее вращением, при истечении через тангенциальные каналы. При росте давления в гибкой колонне труб, воспринимаемым торцовым клапаном, механизм разрушения удерживается разрезной пружиной.
При расчетном перепаде давления происходит срыв механизма разрушения с пружинного кольца и отрывом от седла разъемного полого штока и открытием торцового клапана. Это приводит к подаче рабочей жидкости в расширительную камеру и восприятием давления кольцевым поршнем, с передачей осевого усилия на механизм разрушения и перемещением относительно гильзы, с ударным воздействием коронкой на поверхность песчаной пробки и сжатием пружины.
Часть рабочей жидкости через циркуляционные отверстия подается в межтрубное пространство, с отжимом эластичной мембраны.
Происходит снижение давления рабочей жидкости в гибкой колонне труб, с возвратом механизма разрушения в исходное положение.
Давление рабочей жидкости в колонне труб растет до необходимых значений, с повторением процесса работы.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- нерациональные потери рабочей жидкости, при постоянном истечении через дроссельный канал коронки и тангенциальные каналы гидромониторной насадки, по мере набора давления в осевом канале труб гибкой колонны;
- сложность конструкции и проблематичность настройки на заданный технологический режим;
- достаточно большая длина устройства, делает проблематичным ее применение в скважинах, оснащенных пакером, где осевой канал ствола имеет ограничения по диаметру, сравнимым с диаметром устройства.
Известно устройство для очистки призабойной зоны скважины (см. пат. РФ № 2159844, кл. МПК Е21В 37/00, опубл. 27.11.2000).
Устройство предназначено для обработки призабойных зон скважин методом создания мгновенных перепадов давления.
Устройство содержит два ряда концентрично расположенных труб и пакер. К внешней колонне труб присоединен цилиндр с радиальными окнами. Внутренний ряд труб оборудован глубинным насосом, на приеме которого установлен полый шток с радиальными отверстиями, взаимодействующий с поршнем, опирающимся на пружины.
Радиальные окна перекрыты телом поршня в исходном положении, Подпакерное пространство скважины изолировано от внутренней полости труб. При крайнем нижнем положении поршня, подпакерное пространство, через радиальные окна сообщается с полостью труб.
Работа устройства.
При спуске устройства в скважину, затрубное пространство герметизируется пакером, устанавливаемым над продуктивным пластом. Само устройство устанавливается в интервале пласта.
Затем спускают внутренний ряд труб с глубинным насосом, с расположением над ним полого штока с радиальными отверстиями и центратором под подпружиненным поршнем, который под действием пружины находится в крайнем верхнем положении, с перекрытием радиального канала в цилиндре.
Скважинное пространство изолировано от внутренней полости труб.
При откачке пластовой жидкости насосом, межтрубное пространство заполняется газом. Жидкость откачивают до уровня чтобы обеспечить необходимый перепад давления на призабойную зону скважины. После этого допускают внутреннюю колонну труб с посадкой патрубка на поршень, который перемещается вниз до упора, с сжатием пружины. Открывается радиальный канал с сообщением подпакерного пространства с межтрубным пространством. Создается резкий перепад давления на пласт, что приводит к подаче пластовой жидкости в межтрубное пространство, с выносом механических частиц из пор пласта. Для повторения процесса приподнимают внутреннюю колонну труб, с освобождением патрубка и поршня от нагрузки. Поршень пружиной возвращается в исходное положение, с перекрытием радиальных каналов.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- необходимость оснащения скважины второй колонной труб;
- воздействие на призабойную зону скважины путем манипуляции колонной, оснащенной штанговым насосом, с фильтром; трудоемкий процесс воздействия всего за один цикл недостаточно, чтобы очистить пласт;
- применение пакера ограничивает область применения устройства, поскольку пакера имеют достаточно большие поперечные размеры, а проходной канал ствола пакера имеет размеры порядка d_отв=55÷60мм;
- проблему манипуляции глубинным насосом, чтобы получить возможность воздействия на пласт, сложно выполнить без применения грузоподъемной техники.
Известно устройство гидроударное (см. пат. РФ № 2586122, кл. МПК Е21В 37/06, опубл.10.06.2016 г. Бюл. № 16), принятое за прототип.
Устройство гидроударное для очистки ствола скважины от песчано-глинистой пробки, состоит из разъемного корпуса, седла с продольными пазами по периметру, соединительного патрубка с кольцевым поршнем, подпружиненного толкателя торцового клапана со штоком и коронкой, поджимаемого к седлу пружиной, переходника, для соединения с колонной труб. Устройство снабжено ограничительной шайбой с центральным отверстием, связанной посредством шпилек с гайкой, размещенной в осевом канале разъемного корпуса.
Соединительный патрубок снабжен кольцевым поршнем, расположенным в осевом канале корпуса компенсатора, связанного через переводник с гибкой колонной труб.
Ход соединительного патрубка в осевом канале корпуса компенсатора ограничен ввертышем. Толкатель своим концом входит в осевой канал посадочной шайбы и имеет на наружной поверхности ряд продольных пазов. Седло также снабжено продольными пазами, соединяющими осевой канал разъемного корпуса под седлом, с его нижней частью.
Диаметр посадочного выступа торцового клапана принят больше диаметра полого штока.
Площадь сечения торцового клапана, в месте взаимодействия с толкателем, определяется исходя из известных размеров посадочного выступа торцового клапана и наружного диаметра полого штока.
Полученная площадь сечения торцового клапана принимается меньше площади сечения подпружиненного толкателя.
Работа гидроударного устройства.
Устройство в сборе через переводник соединяется с гибкой колонной труб и вводится в скважину, с доведением до места расположения песчано-глинистой пробки, с контактом ограничительной шайбой с поверхностью. Это приводит к перемещению соединительного патрубка с кольцевым поршнем внутри корпуса компенсатора и сжатием пружины.
Осуществляют подачу под давлением рабочей жидкости по гибкой колонне труб, которое воспринимается толкателем.
Толкатель, преодолевая сопротивление пружины, перемещается вниз и входит в торцовый контакт с посадочным выступом торцового клапана. При определенном перепаде давления происходит отрыв торцового клапана от седла.
Рабочая жидкость из осевого канала соединительного патрубка, по продольным пазам в теле толкателя, подается в осевой канал разъемного корпуса. Далее, через продольные пазы в теле седла поступает в осевой канал полого штока, с воздействием на дополнительную площадь торцового клапана внутри посадочного выступа.
Это приводит к резкому перемещению полого штока с торцовым клапаном вниз, с воздействием коронкой на поверхность песчаной пробки. Расход рабочей жидкости через устройство и центральное отверстие в ограничительной шайбе, превышает расход рабочей жидкости, подаваемой от насосного агрегата, что приводит к падению давления внутри устройства и возврату торцового клапана на седло. Толкатель, усилием пружины возвращается в прежнее положение.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- достаточно высокую сложность изготовления и монтажа при больших гидравлических потерях, потоку рабочей жидкости;
- диаметральные размеры конструкции не позволяют применять ее для работы в подпакерной зоне, где имеет место существовать песчано-глинистые пробки и которые необходимо удалить;
- подача потока рабочей жидкости через центральное отверстие в ограничительной шайбе снижает эффективность процесса гидродинамического воздействия.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения:
- возможность разрушения плотных песчано-глинистых пробок в подпакерной зоне, при малых диаметральных размерах осевого канала ствола пакера;
- возможность центровки устройства в осевом канале ствола скважины в подпакерной зоне;
- возможность контроля положения устройства на оптимальном расстоянии от поверхности песчано-глинистой пробки;
- снижение гидравлических потерь при прохождении рабочей жидкости через устройство;
- возможность заполнения осевого канала гибкой колонны труб пластовой жидкостью при спуске устройства в скважину.
Технический результат достигается тем, что гидромеханический ударник состоит из разъемного корпуса, седла с продольными пазами подпружиненного опорного толкателя с гайкой, полого штока с торцовым клапаном, поджимаемым пружиной к седлу и коронкой на нижнем конце. Опорный толкатель снабжен клапаном, размещенным во внутренней расточке седла с возможностью внутреннего контакта с телом торцового клапана на полом штоке, на нижнем конце которого выполнена расточка, в которой размещена тарелка со штоком, пропущенным в центральное отверстие коронки и снабженным гайкой, причем опорный толкатель снабжен сквозным каналом с шаровым клапаном и перфорированной перегородкой, связанной с гайкой. Расточка в теле полого штока связана перепускными отверстиями в теле коронки, с полостью скважины, а в месте соединения частей разъемного корпуса, установлено кольцо с лепестками, образующими центратор.
Конструкция гидромеханического ударника поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 – общий вид устройства в разрезе, в исходном транспортной положении;
- на фиг. 2 – устройство в разрезе при взаимном положении деталей, в момент подачи под давлением рабочей жидкости в гибкую колонну труб;
Гидромеханический ударник состоит из разъемного корпуса 1, в месте соединения частей 2 и 3 которого установлено седло 4. Верхняя часть 2 разъемного корпуса 1 снабжена соединительным патрубком 5. В осевом канале 6 разъемного корпуса 1 установлена посадочная шайба 7, поджимаемая гайкой 8, охватывающая тело полого штока 9, на верхнем конце которого выполнен торцовый клапан 10, поджимаемый пружиной 11 к седлу 4. На нижнем конце полого штока 9 установлена коронка 12, образующая с гайкой 8 подвижное соединение. Коронка 12 снабжена насечкой 13 на нижнем конце, обращенной к поверхности песчано-глинистой пробки. В теле коронки 12 выполнено центральное отверстие 14, в которое пропущен шток 15 с тарелкой 16, располагающейся в расточке 17 на нижнем конце полого штока 9, с возможностью торцового контакта с его телом, в месте перехода в осевой канал 18 полого штока 9. Шток 15 снабжен гайкой 19.
Расточка 17 связана перепускными отверстиями 20, в теле коронки 12, с полостью скважины. Внутрь осевого канала седла 4, пропущено тело опорного толкателя 21, с клапаном 22 размещенным в расточке 23 седла 4, с возможностью взаимодействия с телом торцового клапана 10 на полом штоке 9, внутри выступа 24. На наружной поверхности опорного толкателя 21 установлена пружина 25 поджимаемая гайкой 26.
Седло 4, в месте соединения частей 2 и 3 разъемного корпуса 1, снабжено рядом продольных пазов 27, соединяющих полость осевого канала 6 в верхней части 2 разъемного корпуса 1, с кольцевой полостью 28, образованной внутренней поверхностью нижней части 3 разъемного корпуса 1 и наружной поверхностью полого штока 9. На наружной поверхности полого штока 9, в месте образования подвижного соединения с телом разъемного корпуса 1, выполнен ряд продольных пазов 29. В опорном толкателе 21, выполнен сквозной канал 30 с шаровым клапаном 31, ход которого сверху ограничен перфорированной перегородкой 32, жестко связанной с телом гайки 26. В месте соединения частей 2 и 3 разъемного корпуса 1 размещено кольцо 33 с лепестками 34. Лепестки 34 охватывают разъемным корпус 1 и способны деформироваться к его поверхности при прохождении через сужение, в виде осевого канала ствола пакера.
В седле 4 установлено уплотнительное кольцо 35 для герметизации кольцевого зазора между седлом 4 и опорным толкателем 21.
Кольцевая полость 28 герметизирована уплотнительным кольцом 36, размещенным в проточке, выполненной в посадочной шайбе 7.
Принцип работы гидромеханического ударника.
Через соединительный патрубок 5 устройство связывается с гибкой колонной труб колтюбинговой установки и вводится в осевой канал труб лифтовой колонны. При спуске устройства в скважину жидкость глушения, через перепускные отверстия 20 в теле коронки 12, поступает в расточку 17 и далее по осевому каналу 18 полого штока 9 перетекает в сквозной канал 30 опорного толкателя 21, с отжимом шарового клапана 31 и подачей через отверстия в перфорированной перегородке 32 в осевой канал 6 разъемного корпуса 1, с заполнением гибкой колонны труб.
При прохождении устройства через сужение, которым является в нашем случае осевой канал ствола пакера лепестки 34 на кольце 33, образующие центратор, деформируются к оси разъемного корпуса 1, с расположением вдоль его тела. После прохождения сужения устройство плавно доводится до места расположения песчано-глинистой пробки, с контактом штоком 15, с гайкой 19. В процессе спуска устройства в скважину, после перехода через осевой канал ствола пакера лепестки 34 центратора расходятся в радиальном направлении. Осуществляют подачу рабочей жидкости по гибкой колонне труб, с ростом давления. Шаровой клапан 31 перекрывает сквозной канал 30 в теле опорного толкателя 21. Под действием перепада давления опорный толкатель 21 перемещается вниз с сжатием пружины 25 и воздействием клапана 22 на тело торцового клапана 10. При расчетном усилии происходит отрыв торцового клапана 10 от седла 4, с образованием гидравлической связи осевого канала 6 разъемного корпуса 1, через продольные пазы 27 и щелевой зазор между седлом 4 и торцовым клапаном 10, в осевой канал 18 полого штока 9. Поток рабочей жидкости из осевого канала 18 подается через перепускные отверстия 20 в теле коронки 12, на поверхность песчано-глинистой пробки. При отрыве торцового клапана 10 от седла 4 и подаче рабочей жидкости в осевой канал 18, в работу включается дополнительная площадь воздействия на торцовый выступ 24, что приводит к резкому перемещению вниз полого штока 9 вместе с коронкой 12, с механическим воздействием насечками 13 на песчано-глинистую пробку, с ее разрушением. При этом происходит сжатие пружины 11. Опорный толкатель 21 усилием сжатой пружины 25 возвращается в исходное положение. Расход рабочей жидкости через устройство, при открытии гидравлической связи между осевым каналом 6 разъемного корпуса 1 и осевым каналом 18 полого штока 9, принимается больше расхода этой жидкости от насосного агрегата, что приводит к падению давления в гибкой колонне труб. В результате усилием сжатой пружины 11 полый шток 9 с торцовым клапаном 10 и коронкой 12 возвращаются в исходное положение, с прекращением гидравлической связи осевого канала 6 с осевым каналом 18 полого штока 9.
Вновь происходит рост давления рабочей жидкости в осевом канале гибкой колонны труб, с воздействием на тело опорного толкателя 21, с повторением процесса.
По мере разрушения песчано-глинистой пробки осуществляют плавный спуск устройства, восходящий поток подхватывает механические частицы и транспортирует их в межтрубное пространство, организованное телом гибкой колонны труб и внутренней стенкой труб лифтовой колонны с выносом рабочей жидкости на поверхность.
Подача рабочей жидкости через перепускные отверстия 20 в теле коронки 12 при их направлении к стенке скважины, способствует интенсификации процесса разрушения.
По окончании процесса промывки песчано-глинистой пробки, устройство путем перемещения гибкой колонны труб поднимается из скважины, с сохранением подачи рабочей жидкости.