Гидромониторный инструмент для очистки скважины от песчаной или проппантной пробки
WATER JET TOOL FOR WELL CLEANING FROM SAND OR PROPPANT PLUG

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к ремонту скважин, в частности к устройствам для очистки и промывки забоя скважины с уплотнёнными песчаными и/или проппантными пробками.
Известно устройство для промывки забоя скважины (патент RU № 2529067, опубл. 27.09.2014), содержащее цилиндрический корпус с полостью, упорным кольцом и клапаном, причем цилиндрический корпус имеет возможность присоединения к трубной колонне, при этом в упорном кольце цилиндрического корпуса выполнены гидромониторные каналы для гидравлического сообщения полости цилиндрического корпуса с затрубным пространством, причем половина окружности нижнего торца цилиндрического корпуса выполнена в виде пилообразного рыхлителя, а другая половина нижнего торца цилиндрического корпуса оснащена косым срезом, при этом в упорном кольце цилиндрического корпуса со стороны пилообразного рыхлителя эксцентрично оси цилиндрического корпуса по окружности выполнены не менее двух гидромониторных каналов, а в упорном кольце цилиндрического корпуса со стороны косого среза эксцентрично оси цилиндрического корпуса выполнено отверстие, причем в полости цилиндрического корпуса напротив отверстия установлен клапан, пропускающий снизу вверх и выполненный в виде клапанной клетки с шаром, установленным в отверстие упорного кольца, причем клапанная клетка жестко закреплена к упорному кольцу.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, сложность изготовления и обслуживания, связанная с большим количеством узлов и деталей;
- во-вторых, необходимость больших расходов жидкости для вымывания песка с забоя из-за наличия циркуляционного клапана и нет возможности изменения режимов работы гидромониторных насадок в процессе очистки без извлечения из скважины, перенастройки и повторного спуска оборудования;
- в-третьих, низкая эффективность воздействия на песчаную пробку, так как гидромониторный канал находится по центральной оси и не имеет возможности вращения, что существенно ограничивает площадь эффективного воздействия струи на забой скважины при размыве песчаной пробки;
- в-четвертых, ограниченные функциональные возможности, так как при воздействии на забой скважины невозможна одновременная очистка стенок скважины в интервале песчаной пробки;
- в-пятых, длительность работы, так как при применении данного устройства с целью  очистки забоя скважины от песчаной пробки необходимо выполнить два спуско-подъема колонны труб, при этом в качестве колонны труб применяется колонна насосно-компрессорных труб, что замедляет процесс ремонта скважины.
Также известна гидромониторная насадка для очистки скважины от песчаной пробки, включающая цилиндрический корпус с полостью, торцовым режущим инструментом и упорным кольцом, оснащённым гидромониторными каналами для размыва песчаной или проппантной пробки и гидравлического сообщения полости цилиндрического корпуса со скважинным пространством,  а сверху цилиндрический корпус присоединен к колонне промывочных труб (патент RU № 2715003, опубл. 21.02.2020). Упорное кольцо изготовлено в виде конусного сужения внутренней полости, играющего роль гидромониторного канала, клапан выполнен в виде бросового с устья скважины гидромониторного вкладыша с конусным участком под конусное сужение корпуса и центральным гидромониторным отверстием, причем длина гидромониторного вкладыша для исключения вращения при спуске выполнена больше внутреннего диаметра колонны промывочных труб.
Недостатками данной гидромониторной насадки являются:
- во-первых, низкая эффективность гидромониторного воздействия на песчаную или проппантную пробку, так как гидромониторный канал находится по центральной оси и не охватывает гидромониторным воздействием кольцевую площадь под инструментом, т.е. гидромониторное воздействие происходит только по центру песчаной или проппантной пробки. Это существенно ограничивает площадь эффективного гидромониторного воздействия струи на забой скважины при размыве уплотнённой песчаной или проппантной пробки;
- во-вторых, низкое качество промывки размытого на забое песка. Это обусловлено тем, что при обратной промывке через гидромониторный канал по колонне труб невозможно поднять размытый песок на устье скважины, а при прямой промывке вымываемый песок под собственным весом будет обратно оседать на забой скважины, особенно в эксплуатационных колоннах диаметром 168 мм и даже при больших расходах насосного агрегата невозможно вымыть на поверхность весь размытый песок (проппант);
- в-третьих, низкая скорость размыва уплотнённой песчаной или проппантной пробки из-за отсутствия вращения колонны труб при гидромониторном воздействии;
- в-четвертых, длительность работы, так как при применении данного устройства с целью очистки забоя скважины от уплотнённой песчаной или проппантной пробки из-за невозможности обратной промывки необходимо выполнить два спуско-подъема колонны труб: первый - для гидромониторного воздействия на уплотнённую песчаную или проппантную пробку с целью размыва; второй – для вымывания размытого песка или проппанта с забоя скважины.
Наиболее близким по технической сущности является гидромониторный инструмент для очистки забоя скважины (патент RU № 2754752, опубл. 07.09.2021), включающий цилиндрический корпус с полостью, торцевым режущим инструментом и упорным кольцом, оснащённым гидромониторными каналами для размыва песчаной или проппантной пробки и гидравлического сообщения полости цилиндрического корпуса со скважинным пространством, а сверху цилиндрический корпус присоединен к колонне промывочных труб, при этом нижний конец торцевого режущего инструмента оснащён зубчатыми насечками, а упорное кольцо жестко зафиксировано в нижней части цилиндрического корпуса, при этом упорное кольцо оснащено центральным каналом для обратной промывки и эксцентрично расположенными гидромониторными каналами, гидромониторные каналы расположены на различном расстоянии от центральной оси цилиндрического корпуса, причём центральный канал сверху оснащён посадочным седлом, на котором установлен конус, а внутри цилиндрического корпуса напротив конуса установлены центраторы с переточными каналами, при этом в цилиндрическом корпусе выше центраторов жёстко установлен ограничитель хода, позволяющий ограничивать осевое перемещение конуса с возможностью открытия центрального канала цилиндрического корпуса при обратной промывке скважины.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, низкая надёжность работы, обусловленная тем, что в процессе работы устройства необходимо чередовать прямую и обратную промывки, при этом высокая вероятность заклинивания запорного органа, выполненного в виде конуса в центраторах вследствие перекоса конуса и/или забивания переточных каналов вымываемым из скважины песком или проппантом, а также конус препятствует перетоку снизу вверх потоку жидкости с размытым песком или проппантом. Кроме того, существует высокая вероятность негерметичной посадки конуса на посадочное седло центрального канала упорного кольца, что может приводить к невозможности гидромониторного воздействия на песчаную или проппантную пробку при прямой промывке;
- во-вторых, низкая эффективность работы, обусловленная конструкцией гидромониторных каналов и торцевого режущего инструмента, которая замедляет скорость проходки гидромониторного инструмента при очистке скважины от песчаной и проппантной пробки, что в свою очередь увеличивает длительность очистки скважины от песчаной или проппантной пробки;
- в-третьих, высокие финансовые затраты при работе устройства по очистке скважины от песчаной или проппантной пробки, связанные с увеличением длительности очистки скважины от песчаной или проппантной пробки;
- в-четвертых, высокая стоимость изготовления деталей устройства (ограничитель хода, конус, центраторы с переточными каналами, эксцентрично расположенные гидромониторные каналы в упорном кольце).
Техническими задачами изобретения являются повышение надежности и эффективности работы устройства при очистке скважины от песчаной или проппантной пробки, а также снижение финансовых затрат при работе устройства по очистке скважины от песчаной или проппантной пробки и снижение стоимости изготовления устройства.
Поставленные технические задачи решаются гидромониторным инструментом для очистки скважины от песчаной или проппантной пробки, включающим цилиндрический корпус с полостью, торцовым режущим инструментом и упорным кольцом жестко зафиксированным в нижней части цилиндрического корпуса, упорное кольцо оснащено гидромониторными каналами для размыва песчаной или проппантной пробки и гидравлического сообщения полости цилиндрического корпуса со скважинным пространством, также упорное кольцо оснащено центральным каналом для обратной промывки, сверху цилиндрический корпус присоединен к колонне промывочных труб.
Новым является то, что в упорном кольце выполнены три гидромониторных канала, равноудалённых от центральной оси цилиндрического корпуса и размещённых под углом 120° относительно друг друга, при этом каждый из гидромониторных каналов выполнен под конус, сужающийся сверху вниз, и имеет конусность 2:1, причём в центральный канал упорного кольца сверху ввёрнута клапанная клетка, оснащённая внутри шаром, при этом снизу клапанная клетка оснащена посадочным седлом под шар, а сбоку в клапанной клетке выполнены продольные сквозные каналы, причём сверху в клапанную клетку ввёрнуто кольцо, ограничивающее перемещение шара в пределах клапанной клетки, торцевой режущий инструмент выполнен в виде трёх вертикальных лопаток, расположенных под углом 120° относительно друг друга и имеющих нижнюю наружную режущую кромку с углом наклона на конце 30°, при этом лопатки смещены относительно гидромониторных каналов на 60° и имеют длину 20 см до упорного кольца, при этом шар при прямой промывке имеет возможность герметичного перекрытия центрального канала, а при обратной промывке шар имеет возможность ограниченного осевого перемещения вверх в пределах клапанной клетки и перепуска продуктов очистки скважины в виде песка или проппанта через центральный канал упорного кольца и продольные сквозные каналы клапанной клетки в колонну промывочных труб.
На фиг. 1 в продольном разрезе изображен предлагаемый гидромониторный инструмент для очистки скважины от песчаной или проппантной пробки.
На фиг. 2 изображен увеличенный вид А гидромониторного канала.
На фиг. 3 изображен вид Б с нижнего торца гидромониторного инструмента для очистки забоя скважины в процессе обратной промывки.
Гидромониторный инструмент для очистки скважины от песчаной или проппантной пробки включает цилиндрический корпус 1 (см. фиг. 1) с полостью 2 (см. фиг. 1), торцовым режущим инструментом 3 и упорным кольцом 4 (см. фиг. 1, 2, 3). Цилиндрический корпус 1, например имеет диаметр D = 118 мм.
Упорное кольцо 4 жестко зафиксировано к нижней части   цилиндрического корпуса 1, например с помощью сварки.
Упорное кольцо 4 (см. фиг. 1, 2 и 3) оснащено тремя гидромониторными каналами 5'; 5"; 5"' для гидравлического сообщения полости 2 цилиндрического корпуса 1 со скважинным пространством (на фиг. 1, 2 и 3 не показано) с целью гидромониторного воздействия на песчаную или пропантную пробку (на фиг. 1, 2 и 3 не показано). Гидромониторные каналы 5'; 5"; 5"' расположены на равноудалённом расстоянии от центральной оси цилиндрического корпуса 1, например на расстоянии r= 40 мм =4,0 см (см. фиг. 3) и размещены под углом 120° относительно друг друга.
1
2
Гидромониторные каналы 5'; 5"; 5"' ( см. фиг. 1 и 2) в упорном кольце 4 выполнены под конус сужающийся сверху вниз и имеют конусность 2:1. Например, гидромониторный  канал  5" (см. фиг. 1 и 2) имеет верхний диаметр равный d= 20 мм, а нижний диаметр d= 10 мм с высотой h = 12 мм Таким образом конусность 20 мм : 10 мм = 2:1. Такую же конструкцию имеют гидромониторные  каналы 5'; 5"; 5"' (см. фиг. 1-3).
Также упорное кольцо 4 оснащено центральным каналом 6 (см. фиг. 1 и 3) для обратной промывки с целью вымывания песка или проппанта из скважины после гидромониторного воздействия соответственно на песчаную или проппантную пробку.
В центральный канал 6 упорного кольца 4 сверху ввёрнута с помощью резьбового соединения 7 (см. фиг. 1, 3), например М42×2, клапанная клетка 8.
Клапанная клетка 8 оснащена внутри шаром 9 (см. фиг. 1). Снизу клапанная клетка 8 оснащена посадочным седлом 10 (см. фиг. 1) под шар 9. Сбоку в клапанной клетке 8 выполнены продольные сквозные каналы 11 (см. фиг. 1), например в количестве 8 штук, расположенных под углом 45° (на фиг. 1 показано условно). Сверху в клапанную клетку 8 (см. фиг. 1) ввёрнуто кольцо 12, ограничивающее перемещение шара 9 в пределах клапанной клетки 8.
Торцевой режущий инструмент 3 (см. фиг. 1) выполнен в виде трёх лопаток 13'; 13"; 13"', расположенных под углом 120° относительно друг друга и имеющих наружную нижнюю режущую кромку (на фиг. 1 и 3 показаны условно)  с углом наклона на конце 30°.  Лопатки 13'; 13"; 13"' смещены относительно гидромониторных каналов 5'; 5"; 5"' на 60° (см. фиг. 3) и имеют длину L = 20 см (см. фиг. 1) до упорного кольца 4. Конструкция торцевого режущего инструмента 3, выполненного в виде трёх лопаток 13'; 13"; 13"', размещенных на периферии под углом 120° относительно друг друга позволяет эффективно рыхлить уплотнённую песчаную или проппантную пробку.
1
2
Длина L = 20 см подобрана с целью наиболее эффективного размывания разрыхлённой песчаной или проппантной пробки опытным путём для гидромониторных каналов, имеющих верхний диаметр равный d = 20 мм, а нижний диаметр d = 10 мм и конусность 2:1.
Шар 9 при прямой промывке имеет возможность герметичного перекрытия центрального канала 6 путем прижатия к посадочному седлу 10 клапанной клетки 8 за счёт давления жидкости, создаваемого в полости 2 цилиндрического корпуса 1 гидромониторного инструмента.
При обратной промывке шар 9 имеет возможность ограниченного осевого перемещения вверх в пределах клапанной клетки 8 и перепуска продуктов очистки песчаной или проппантной пробки через центральный канал 6 упорного кольца 4 и продольные сквозные каналы 11 клапанной клетки 8 в колонну промывочных труб 14 (см. фиг. 1).
Гидромониторный инструмент для очистки скважины от песчаной или проппантной пробки работает следующим образом.
На устье скважины (на фиг. 1, 2 и 3 не показано) гидромониторный инструмент посредством муфты 15 (см. фиг. 1) соединяют с колонной промывочных труб 14. В качестве колонны промывочных труб 14, например используют колонну НКТ диаметром 73 мм с толщиной стенки 5,5 мм по ГОСТ 633-80.
Далее в скважину, имеющую на забое уплотнённую песчаную или проппантную пробку (на фиг. 1, 2 и 3 не показана) на конце колонны промывочных труб 14 (см. фиг. 1) спускают гидромониторный инструмент до тех пор, пока торцевой режущий инструмент 3 своими лопатками 13'; 13"; 13"'  не упрётся в поверхность уплотнённой песчаной или проппантной пробки, о чём свидетельствует частичная разгрузка веса колонны промывочных труб 14 на уплотнённую песчаную или проппантную пробку, например на 2 тонны =  20000 Н.
На устье скважины к верхнему концу колонны промывочных труб 14 присоединяют насосный агрегат (на фиг. 1-3 не показан). С целью размыва уплотнённой песчаной или проппантной пробки начинают гидромониторное воздействие на неё.
3
С помощью насосного агрегата, например цементировочного агрегата ЦА-320 по колонне промывочных труб 14 (см. фиг. 1), т.е. прямой промывкой закачивают жидкость, например сточную воду плотностью 1100 кг/м, например со скоростью 10 л/с, при этом одновременно начинают вращать колонну промывочных труб 14 со скоростью, например 0,25 об/мин с помощью, например гидравлического ключа ГКШ-1500МТ, при этом лопатки 13'; 13"; 13"' торцевого режущего инструмента 3 рыхлят уплотнённую песчаную или проппантную пробку  в скважине  в процессе вращения колонны промывочных труб, разрыхляя верхний уплотнённый слой песчаной или проппантной пробки.
В процессе вращения колонны промывочных труб 14 (см. фиг. 1) происходит гидромониторное воздействие на разрыхлённую песчаную или проппантную пробку через гидромониторные каналы 5'; 5"; 5"' (см. фиг. 1 и 3), выполненные в упорном кольце 4, при этом шар 9 как под собственным весом, так и под действием давления жидкости, создаваемого в полости 2 цилиндрического корпуса 1 гидромониторного инструмента, прижат к посадочному седлу 10 клапанной клетки 8 и герметично перекрывает центральный канал 6 цилиндрического корпуса 1.
В результате гидромониторного воздействия через гидромониторные каналы 5'; 5"; 5"' песчаная или проппантная пробка размывается.
По мере размыва песчаной или проппантной пробки колонну промывочных труб 14 с вращением опускают вниз, о чём свидетельствуют отсутствие увеличения веса разгрузки колонны промывочных труб 14 на песчаную или проппантную пробку, как указано выше более 20000 Н. При этом площадь разрыхленной песчаной или проппантной пробки под центральным каналом 6 саморазрушается по мере углубления гидромониторного инструмента. Достижение забоя скважины свидетельствует о размыве песчаной или проппантной пробки.
3
Далее на устье скважины к межтрубному пространству скважины (на фиг. 1-3 не показано) присоединяют насосный агрегат с целью выноса размытой уплотнённой песчаной или проппантной пробки через гидромониторный инструмент по колонне промывочных труб 14 в желобную ёмкость (на фиг. 1-3 не показано). С помощью насосного агрегата закачивают жидкость, например сточную воду плотностью 1130 кг/м, например со скоростью 10 л/с, в межтрубное пространство скважины. Из межколонного пространства скважины поток жидкости с продуктами очистки скважины в виде песка или проппанта через центральный канал 6 снизу воздействует на шар 9, который поднимается с посадочного седла 10 и перемещается вверх в пределах клапанной клетки 8 до взаимодействия с кольцом 12.
В результате жидкость с размытой песчаной или проппантной пробкой (продукты очистки скважины в виде песка или проппанта) через продольные сквозные каналы 11 клапанной клетки 8 попадают в полость 2 цилиндрического корпуса 1 и далее по колонне промывочных труб 14 в желобную ёмкость на устье скважины. Закачку жидкости насосным агрегатом продолжают до выхода «чистой» жидкости (без песчинок песка и проппанта) в желобную ёмкость.
После чего останавливают закачку жидкости насосным агрегатом в межтрубное пространство скважины. В результате шар 9 под собственным весом опускается вниз и садится на посадочное седло 10 клапанной клетки 8.
Повышается надёжность работы устройства, так как полностью исключается заклинивание запорного органа, выполненного в виде шара, расположенного в клапанной клетке, благодаря наличию продольных сквозных каналов, выполненных на боковой поверхности клапанной клетки.  Это объясняется тем, что при обратной промывке сначала поднимается шар до упора в кольцо, а затем размытый песок или проппант с потоком жидкости снизу вверх через центральный канал далее через продольные сквозные каналы и полость цилиндрического корпуса попадает в колонну промывочных труб, при этом шар находится выше продольных сквозных каналов клапанной клетки и не препятствует перетоку потока жидкости с размытым песком или проппантом.
Повышается эффективность работы благодаря усовершенным конструкциям гидромониторных каналов и торцевого режущего инструмента, при этом гидромониторные каналы выполнены под конус, сужающийся сверху вниз с конусностью 2:1 позволяет повысить эффективность гидромониторного воздействия по размыванию разрыхленной песчаной (проппантной) пробки, а конструкция торцевого режущего инструмента позволяет эффективно рыхлить даже уплотнённые песчаные или проппантные пробки.
Эффективная работа в паре: торцевой режущий инструмент - гидромониторные каналы повернутых относительно друг друга на 60° позволяет повысить скорость проходки при очистке скважины от песчаной и проппантой пробки. Это сокращает длительность очистки скважины от песчаной или проппантной пробки.
Снижаются финансовые затраты при работе устройства по очистке скважины от песчаной или проппантной пробки, так как сокращается длительность очистки скважины от песчаной или проппантной пробки благодаря повышению эффективности рыхления торцевым режущим инструментом и размыванию песчаной или проппантной пробки через гидромониторны каналы.
Благодаря упрощению конструкции и применению менее металлоёмких, а также простых в изготовлении деталей снижается стоимость изготовления устройства в целом.
Предлагаемый гидромониторный инструмент для очистки скважины от песчаной или проппантной пробки позволяет:
- повысить надежность работы;
- повысить эффективности работы;
- снизить финансовые затраты при работе устройства;
- снизить стоимость изготовления устройства.