Скважинный ловитель шаров
WELL BALL CATCHER

Изобретение относится к устройствам для обслуживания скважин в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для захвата и извлечения из скважины шаров при ремонте скважин, в том числе из немагнитных материалов, оставленных в скважине после проведения различных технологических операций.
Известен скважинный ловитель запорного органа (патент RU № 2622963, опубл. 21.06.2017), содержащий цилиндрический корпус, неподвижный ограничитель подъема запорного органа, установленный в цилиндрическом корпусе и расположенный в верхней части ловителя, фиксирующую вставку по существу цилиндрической формы, установленную в цилиндрическом корпусе и расположенную в нижней части ловителя, и удерживающий элемент, установленный с возможностью поворота в фиксирующей вставке и выполненный с возможностью удержания запорного органа и обеспечения при этом протекания текучей среды. Ограничитель подъема выполнен в виде крестообразного элемента, жестко закрепленного в верхней части ловителя. Удерживающий элемент выполнен по существу П-образным или Н-образным и закреплен на поворотной оси, выполненной с возможностью свободного вращения в крепежных отверстиях, предусмотренных в фиксирующей вставке. Предусмотрен зазор между корпусом и фиксирующей вставкой для дополнительного сообщения по текучей среде области внутри корпуса ловителя и области под фиксирующей вставкой. Зазор имеет по существу цилиндрическую форму и продолжается по всей длине фиксирующей вставки. Предусмотрен боковой проем в фиксирующей вставке вблизи местоположения, в котором установлен удерживающий элемент. Корпус ловителя соединен муфтой с трубным переводником в верхней и нижних частях ловителя. Корпус выполнен из патрубка насосно-компрессорной трубы (НКТ) диаметром 89 мм и длиной 1 метр, а переводники, предусмотренные в нижней и верхних частях ловителя, представляют собой переводники НКТ 73-89 мм.
Недостатки устройства:
- во-первых, низкая надежность работы ловителя при залавливании запорного органа. Это обусловлено наличием в конструкции ловителя удерживающего элемента, установленного с возможностью поворота в фиксирующей вставке и выполненного с возможностью перекрытия площади поперечного сечения фиксирующей вставки для удержания запорного органа и обеспечения, при этом протекания текучей среды. Данное условие при низких давлениях текучей среды с высокой вероятностью может привести к отказу в срабатывании удерживающего элемента ловителя;
- во-вторых, сложность конструкции ловителя, обусловленная большим количеством узлов и деталей;
- в-третьих, высокая металлоёмкость и габаритные размеры корпуса ловителя;
- в-четвёртых, ограниченные функциональные возможности. Ловитель предназначен для улавливания только одного запорного органа (шара) и только одного диаметра, например, 35 мм.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинный ловитель шаров, содержащий цилиндрический полый корпус, зацеп для удержания шаров, установленный в корпусе и выполненный в виде упругих пластин с возможностью углового перемещения пластин по отношению к корпусу при воздействии на них усилия, переходник для соединения ловителя с колонной труб, жестко закрепленный к верхнему концу корпуса. (патент RU № 2594825, опубл. 20.08.2016). Корпус состоит из жестко соединенных между собой отдельных полых секций, внутри полости каждой из секций установлен по меньшей мере один зацеп для удержания шаров, выполненный в виде упругой, по меньшей мере, однослойной пластины, жестко крепящейся одним из своих краев к корпусу секции. Пластина установлена относительно корпуса секции под острым углом с возможностью углового перемещения пластины по направлению к корпусу при воздействии на нее усилия. Пластина в поперечном сечении имеет дугообразную форму, причем выпуклая поверхность пластины обращена к продольной оси симметрии секции, а в корпусе секции напротив вогнутой поверхности пластины выполнен сквозной паз, форма и размеры которого соответствуют форме и размерам пластины в плане. К нижней секции скважинного ловителя жестко крепится защитный наконечник.
Недостатки устройства:
- во-первых, низкая надежность работы устройства при захвате шаров. Это обусловлено тем, что шар, находящийся вне ловителя вовлекается потоком жидкости и заходит во внутреннюю полость нижней секции, начинает взаимодействовать с пластинами зацепов, отгибая их в сторону корпуса и проходит в следующую секцию, расположенную выше, причём если вес шара больше силы потока жидкости, воздействующего на шар снизу, то шар вообще не поднимается вверх относительно корпуса устройства, а если усилие потока жидкости достаточно для подъёма шара, то этого усилия потока жидкости может быть недостаточно для отгиба зацепов в сторону корпуса, поэтому шар не может подняться выше зацепов корпуса ловителя;
-во-вторых, низкая эффективность работы устройства в процессе промывки. Это связано с тем, что защитный наконечник после упора в забой скважины не позволяет проводить циркуляцию жидкости, поэтому шар, находящийся в ловителе ниже зацепа не может подняться вверх вследствие отсутствия потока жидкости снизу-вверх внутри ловителя;
- в-третьих, ограниченные функциональные возможности ловителя. Ловитель предназначен для залавливания шаров только одного диаметра, например, 38 мм;
- в-четвёртых, длина и высокая металлоёмкость ловителя, связанная с тем, что количество секций корпуса с зацепом зависит от количества извлекаемых шаров, поэтому чем больше шаров, подлежащих извлечению из скважины, тем больше длина и металлоёмкость ловителя.
Техническими задачами изобретения являются повышение надёжности работы ловителя при улавливании шаров и эффективности работы ловителя в процессе промывки, расширение функциональных возможностей ловителя с возможностью улавливания шаров различных диаметров, а также снижение длины и металлоёмкости ловителя.
Технические задачи решаются скважинным ловителем шаров, содержащим цилиндрический полый корпус, зацеп для удержания шаров, установленный в корпусе и выполненный в виде упругих пластин с возможностью углового перемещения пластин по отношению к корпусу при воздействии на них усилия, переходник для соединения ловителя с колонной труб, жестко закрепленный к верхнему концу корпуса.
Новым является то, что пластины выполнены в виде разрезной цанги с нижним зажимным захватом, при этом цанга установлена внутри корпуса, причём в исходном положении пластины цанги подпружинены наружу к корпусу, причём корпус снаружи оснащён наружной кольцевой выборкой, на наружной кольцевой выборке корпуса под углом 180° относительно друг друга выполнены два Г-образных паза в виде соединенных между собой снизу длинных и коротких участков, причём снизу на наружной кольцевой выборке корпуса  зафиксирована воронка, также ловитель оснащен двумя направляющими штифтами, которые с одной стороны ввернуты в верхнюю часть воронки, а с другой стороны вставлены в Г-образные пазы корпуса, при этом воронка имеет возможность продольного и поперечного перемещения относительно корпуса в пределах Г-образных пазов, причём воронка снизу оснащена радиальными отверстиями, а сверху воронка снабжена  внутренним кольцевым упором, ограничивающим перемещение корпуса вниз относительно воронки, при этом в исходном положении штифты находятся в нижних концах длинных участков Г-образных пазов, при этом воронка относительно корпуса  зафиксирована разрушаемым винтом, причём в рабочем положении корпус имеет возможность ограниченного перемещения относительно воронки до упора во внутренний кольцевой упор воронки с перемещением направляющих штифтов из нижних концов длинных участков  в крайние правые концы коротких участков  Г- образных пазов и сжатия пластин  цанги внутрь от корпуса под воздействием на них усилия, создаваемого нижним торцом корпуса и смыкания зажимных захватов  цанги.
На фиг. 1 схематично изображён в исходном положении скважинный ловитель шаров.
На фиг. 2 схематично изображён в рабочем положении скважинный ловитель шаров.
На фиг. 3 изображено сечение А-А разрезной втулки в исходном положении.
На фиг. 4 схематично изображена развёртка Б паза, выполненная на наружной кольцевой выборке корпуса.
На фиг. 5 изображено сечение В-В разрезной втулки в исходном положении.
n
Скважинный ловитель шаров содержит цилиндрический полый корпус 1 (см. фиг. 1-2, 4-5), в котором установлен зацеп 2 (фиг. 1-2) для удерживания шаров 3'…3, например, трёх шаров. Зацеп 2 выполнен в виде упругих пластин 4 (фиг. 1-3, 5), например, в количестве четырёх штук, с возможностью углового перемещения пластин 4 по отношению к корпусу 1 при воздействии на нее усилия.
К верхнему концу корпуса 1 жестко крепится переходник 5 (фиг. 1-2) для соединения ловителя с колонной труб 6. Пластины 4 выполнены в виде разрезной цанги 7 с нижним зажимным захватом 8. Цанга 7 установлена внутри корпуса 1.
В исходном положении пластины 4 цанги 7 подпружинены наружу к корпусу 1. Корпус 1 снаружи оснащён наружной кольцевой выборкой 9 (фиг. 1-2, 4).
На наружной кольцевой выборке 9 корпуса 1 под углом 180° относительно друг друга выполнены два Г – образных паза 10' и 10", в виде соединенных между собой снизу длинных 11' и 11" (фиг. 4) участков длиной - а и коротких 12' и 12" участков длиной – b.
Снизу на наружной кольцевой выборке 9 корпуса зафиксирована воронка 13 (фиг. 1-3, 5).
Скважинный ловитель шаров оснащен двумя направляющими штифтами 14' и 14" (фиг. 1-2, 4), которые с одной стороны ввернуты в верхнюю часть воронки 13, а с другой стороны вставлены в Г - образные пазы 10' и 10" корпуса 1.
Воронка имеет возможность продольного и поперечного перемещения относительно корпуса в пределах Г- образных пазов 10' и 10" корпуса 1.
о
л
л
n
Снизу воронка 13 оснащена радиальными отверстиями 15 (фиг. 1-2) диаметром d, например, равным 20 мм в количестве 12 штук, при этом суммарная площадь поперечных сечений радиальных отверстий 15 должна быть больше или равна площади минимального поперечного сечения корпуса 1 ловителя диаметром D, например, D = 60 мм. Это необходимое условие, исключающее потерю напора (усилия) восходящего потока жидкости на шары 3'…3 в корпусе 1 ловителя.
Сверху воронка 13 снабжена внутренним кольцевым упором 16 (фиг. 1-2), ограничивающим перемещение корпуса 1 вниз относительно воронки 13.
В исходном положении направляющие штифты 14' и 14" находятся в нижних концах длинных участках 11' и 11" Г -образных пазов 10' и 10", при этом воронка 13 относительно корпуса 1 зафиксирована разрушаемым винтом 17.
В рабочем положении корпус 1 имеет возможность ограниченного перемещения относительно воронки 13 до упора во внутренний кольцевой упор 16 воронки 13 и сжатия пластин 4 цанги 7 внутрь от корпуса 1 под воздействием на них усилия, создаваемого нижним торцом 18 (фиг. 1-2) корпуса 1 и смыкания зажимных захватов 8 цанги 7.
При этом направляющие штифты 14' и 14" (см. фиг. 4) перемещаются из нижних концов длинных участков 11' и 11" в крайние правые концы (на фиг. 4 показано условно) коротких участков 12' и 12" Г образных пазов 10' и 10".
Уплотнительное кольцо 19 (см. фиг. 1 и 2) обеспечивает герметичность сопрягаемых поверхностей в процессе работы ловителя.
Устройство работает следующим образом.
ш
n
Сначала исходя из диаметров – d шаров 3'…3(см. фиг. 1-2), подлежащих захвату и извлечению подбирают проходные диаметры D (фиг. 1) зажимного захвата 8 разрезной цанги 7 в исходном и рабочем положениях.
ш1
Шар 3' имеет минимальный диаметр d из всех шаров, например, равный 37 мм.
ш2
Шар 3" имеет диаметр d, например, равный 40 мм.
n
шn
Шар 3 имеет максимальный диаметр d из всех шаров, например, равный 45 мм.
n
ш
Тогда в исходном положении зажимной захват 8 разрезной цанги 7 имеет проходной диаметр D более максимального диаметра шара 3: d = 45 мм, например, D = 50 мм.
ш
А в рабочем положении зажимной захват 8 разрезной цанги 7 имеет проходной диаметр d (фиг. 2) менее минимального диаметра шара 3': d = 37 мм, например, d = 30 мм.
в
с
в
n
Ловитель в сборе, как показано на фиг. 1 спускают в скважину 20 (фиг. 1-2) до упора воронки 13 на забой 21 (фиг. 2) скважины 20, при этом диаметр D (фиг. 1) воронки 13 меньше внутреннего диаметра скважины 20, но при этом имеет такой диаметр, который обеспечивает попадание шаров 3'…3 внутрь воронки 13 в процессе спуска ловителя. Например, внутренний диаметр скважины Dравен 132 мм, тогда примем диаметр D =120 мм. Достижение забоя скважины фиксируют частично разгрузкой колонны труб 6 на воронку 13, например, на 30 кН.
Далее начинают промывку скважины 20 закачкой технологической жидкости в межколонное пространство 22 (фиг. 1) между колонной труб 6 и скважиной 20, например в течение 30 мин.
n.
n
n
ш
В результате технологическая жидкость из межколонного пространства 22 через радиальные отверстия 15 поступает внутрь воронки 13, где находятся шары 3'…3.Под действие напора технологической жидкости, создающего усилие направленное снизу вверх технологическая жидкость вместе с шарами 3'…3 движется вверх через внутренний кольцевой упор 16 воронки 13, и так как D > d, то шары 3'…3 через нижний зажимной захват 8 разрезной цанги 7 попадают во внутренние полости разрезной цанги 7 и корпуса 1 ловителя. После окончания времени промывки полностью разгружают колонну труб 6 на воронку 13, например, с усилием 120 кН, при этом, например, при усилии 50 кН разрушаемый винт 17 срезается.
При этом корпус 1 опускается вниз относительно воронки 13, упёртой на забой 21 скважины 20, на длину  равную длине - a длинных участков 11' и 11" Г - образных пазов 10' и 10" соответственно, например, а = 0,5 м, при этом корпус 1 нижним торцом 18 упирается во внутренний кольцевой упор 16 воронки 13.
Далее с устья скважины 20 поворачивают колонну труб 6 по часовой стрелке на угол, соответствующий длине - b коротких участков 12' и 12" Г - образных пазов 10' и 10". Например, на угол 90°, что при наружном диаметре корпуса равном 114 мм соответствует длине участков 12' и 12": b = 89,5 мм = 0, 0895 м.
ш
В результате направляющие штифты 14' и 14" (см. фиг. 4) перемещаются из нижних концов длинных участков 11' и 11" в крайние правые концы коротких участков 12' и 12"- Г-образных пазов 10' и 10", а  пластины 4 (см. фиг. 2) разжимной цанги 7 сжимаются внутрь  корпуса 1 под воздействие на них усилия, создаваемого нижним торцом 18 корпуса 1, при этом происходит смыкание зажимных захватов 8 цанги 7 до диаметра d = 30 мм, который меньше  менее минимального диаметра шара 3': d =  37 мм.
После чего с помощью колонны труб 6 извлекают ловитель из скважины 20.
Повышается надежность работы скважинного ловителя при улавливании шаров. Это обусловлено тем, что конструктивно из процесса улавливания шаров исключена зависимость отгиба зацепов в сторону корпуса от усилия потока жидкости, создаваемого снизу вверх на шар и веса самого шара. При этом улавливание шаров происходит за счёт циркуляции жидкости после упора ловителя в забой скважины за счёт свободного прохождения шаров внутрь ловителя, поэтому из конструкции ловителя исключены детали создающие препятствие (отгибаемые шаром зацепы) подъёму шаров.
Повышается эффективность работы скважинного ловителя в процессе улавливания шаров благодаря наличию радиальных отверстий, выполненных в воронке, которые позволяют проводить промывку (циркуляцию жидкости) после упора ловителя в забой скважины, поэтому шары подлежащие улавливанию и извлечению, увлекаются потоком жидкости снизу-вверх внутрь ловителя.
Расширяются функциональные возможности скважинного ловителя, который позволяет улавливать шары различных типоразмеров по диаметру, а также компактная длина ловителя, которая составляет до 2 м и низкая металлоёмкость.
Предлагаемый скважинный ловитель шаров позволяет повысить надёжность и эффективности работы, расширить функциональные возможности, снизить длину и металлоёмкость скважинного ловителя.