ПОДЗЕМНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЗУМПФА МЕТАНОУГОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ В ПРОЦЕССЕ ЕЕ ОСВОЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ
UNDERGROUND EQUIPMENT WITH DEVICE FOR CLEANING OF SETTLING WELL OF METHANE-COAL HOLE DURING ITS DEVELOPMENT AND MAINTENANCE

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при освоении и эксплуатации скважин, оборудованных погружными штанговыми насосами и предназначенных, в частности, для добычи углеводородов, например, метана из угольных пластов.
Известно, что скважины, предназначенные для добычи метана из угольных пластов, строятся с зумпфом. Этот зумпф, длина которого составляет обычно 50-80 м, представляет собой участок ствола скважины, размещенный под вскрытыми продуктивными угольными пластами. Основное предназначение зумпфа - накопление в нем механических примесей, поступающих вместе с пластовой водой и низконапорным газом из угольных пластов, кроме того, зумпф может служить местом размещения компоновки подземного оборудования. В состав последней, кроме погружного штангового насоса, входят забойный газосепаратор, противоотворотный якорь, фильтр-хвостовик, дренажный и обратный клапаны. Как правило, вскрытые угольные пласты и зумпф, пробуренный ниже интервала их размещения, перекрываются эксплуатационной колонной, которая затем цементируется. После перфорации продуктивных угольных пластов последние с целью дополнительной стимуляции их газоотдачи в подавляющем большинстве случаев подвергаются гидравлическому разрыву. Трещины, образовавшиеся в результате гидроразрыва, закрепляются с помощью проппанта, который вместе с технологической жидкостью нагнетается в угольные пласты.
Процесс последующей откачки пластовой воды из ствола метаноугольной скважины сопровождается поступлением в него значительного количества различных механических примесей (преимущественно проппанта, а также частиц угля, горной породы, цемента и т.д.). Вынос наибольшего количества механических примесей наблюдается на начальном этапе откачки пластовой воды из ствола скважины, со временем интенсивность этого явления постепенно уменьшается. Накопление механических примесей в зумпфе скважины ухудшает условия работы погружного насоса, а в определенный момент делает ее невозможной. В этом случае откачку пластовой воды прекращают и начинают подготовку скважины к проведению подземного ремонта, связанного с очисткой зумпфа от скопившихся в нем механических примесей. В метаноугольной скважине указанные ремонтные работы стараются выполнять без организации промывки, чтобы не ухудшать фильтрационные характеристики вскрытых угольных пластов. По этой причине для удаления механических примесей из зумпфа метаноугольной скважины обычно используют желонки различных типов. Часто для качественной очистки зумпфа требуется многократное выполнение спуско-подъемов желонки в ствол скважины. В целом ремонтные работы занимают достаточно продолжительный период времени, поскольку перед их выполнением метаноугольная скважина должна быть предварительно заглушена. Только после этого разрешается приступать к извлечению на поверхность лифтовой колонны с подземным оборудованием. После подъема подземное оборудование подвергается осмотру и необходимому обслуживанию, причем в некоторых случаях осуществляется замена отдельных узлов. После завершения ремонтных работ подземное оборудование вновь спускается в ствол скважины, и процесс откачки пластовой воды возобновляется.
Известно устройство для удаления механических примесей из ствола скважины [SU 137851, 1961], которое выполнено в виде заглушенного в нижней части патрубка, к верхнему концу которого присоединен конический раструб. На верхнем торце раструба закреплена эластичная уплотнительная манжета. С помощью захватного узла, спускаемого в ствол скважины на тросе, устройство размещается на забое перед началом эксплуатации скважины. Различные механические примеси, поступающие из продуктивного пласта вместе с флюидом, постепенно скапливаются внутри устройства. После заполнения устройства механическими примесями, оно извлекается на поверхность для очистки.
Недостатки известного устройства заключаются в сложности его установки и подъема с помощью канатной техники, поскольку при перемещении устройства внутри эксплуатационной колонны возникает эффект поршневания.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению (т.е. прототипом) является устройство для очистки забоя скважины во время эксплуатации [RU 2212521, 2003], которое включает подземное оборудование, состоящее из погружного насоса, спускаемого на лифтовой колонне, хвостовых труб с фильтром (т.е. фильтра-хвостовика), съемного шламоуловителя в виде полого цилиндра с дном, а также опорной втулки для установки и герметизации шламоуловителя внутри эксплуатационной колонны.
К недостаткам прототипа следует отнести сложность и продолжительность последовательной установки в скважине шламоуловителя, хвостовых труб с фильтром, компоновки погружного насоса и последующего их извлечения из скважины в обратной последовательности проведения операций, а также необходимость в использовании специального ловильного инструмента.
Задачей предлагаемого изобретения является создание такого подземного оборудования с устройством для очистки зумпфа скважины, которое обеспечивало бы удаление скопившихся в зумпфе механических примесей за один подъем подземного оборудования, не требовало использования специального ловильного инструмента как для установки, так и для извлечения элементов подземного оборудования и было бы способным размещаться в эксплуатационной колонне ниже зоны перфорации.
Решение поставленной задачи позволяет получить технический результат, выражающийся в ускорении и упрощении процесса установки и извлечения шламоуловителя с механическими примесями из метаноугольной скважины за счет исключения операций, связанных со спуско-подъемами ловильного инструмента (для установки шламоуловителя, затем хвостовых труб с фильтром и их извлечения, соответственно).
Другим техническим результатом является возможность создания более глубокой депрессии на продуктивный пласт, что особенно важно для метаноугольных скважин в процессе их освоения и эксплуатации.
Поставленная задача решается, и технический результат достигается тем, что подземное оборудование с устройством для очистки зумпфа скважины в процессе ее освоения и эксплуатации, включающее компоновку погружного насоса, спускаемого в скважину на лифтовой колонне, опорную втулку, расположенную в эксплуатационной колонне ниже зоны перфорации, шламоуловитель в виде открытого сверху полого корпуса с дном, выполненного с возможностью герметичной установки своей верхней частью на опорную втулку, и фильтр-хвостовик, снабжено механизмом компенсации осевого перемещения компоновки погружного насоса, связанным нижним концом со шламоуловителем, а верхним концом - с компоновкой погружного насоса через фильтр-хвостовик, и выполнено с возможностью размещения в эксплуатационной колонне ниже зоны перфорации после спуска в скважину и герметичной установки шламоуловителя своей верхней частью на опорную втулку.
Способствует достижению технического результата то, что:
- механизм компенсации осевого перемещения компоновки погружного насоса связан нижним концом со шламоуловителем, а верхним концом - с компоновкой погружного насоса через фильтр-хвостовик шарнирными узлами, причем шарнирный узел, связывающий нижний конец механизма компенсации осевого перемещения компоновки погружного насоса со шламоуловителем, содержит тяги, присоединенные своими свободными концами к верхней части шламоуловителя;
- компоновка погружного насоса, спускаемого в скважину на лифтовой колонне, включает последовательно присоединенные к нему в направлении сверху вниз противоотворотный механический якорь и газосепаратор.
Целесообразно чтобы в дне открытого сверху полого корпуса (шламоуловителе) был размещен обратный клапан.
В конкретном исполнении опорная втулка имеет коническое посадочное место, а верхняя часть открытого сверху полого корпуса - кольцевой наружный выступ с конической боковой поверхностью, ответной коническому посадочному месту опорной втулки, причем нижняя часть открытого сверху полого корпуса выполнена в виде усеченного конуса.
Механизм компенсации осевого перемещения компоновки погружного насоса в частном случае выполнен в виде концентрично размещенных между собой патрубка, имеющего гидравлическую связь с внешним пространством, и штока, образующих ограниченно подвижное соединение, причем на одном конце патрубка выполнен внутренний кольцевой выступ, другой конец заглушен, а шток имеет наружный кольцевой выступ для взаимодействия с внутренним кольцевым выступом патрубка в выдвинутом положении соединения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется описанием и чертежами. На фиг.1 показан общий вид подземного оборудования, установленного внутри эксплуатационной колонны скважины, на фиг.2 - общий вид шламоуловителя, установленного внутри эксплуатационной колонны на опорной втулке, на фиг.3 - механизм компенсации осевого перемещения компоновки погружного насоса.
Из практического опыта добычи метана из угольных пластов известно, что в состав подземного оборудования входит компоновка погружного насоса, спускаемого в скважину, как правило, включающая в себя (в направлении снизу-вверх): фильтр-хвостовик 1, забойный газосепаратор 2, механический противоотворотный якорь 3 и погружной штанговый насос 4. Кроме того, в состав подземного оборудования может быть включен дренажный клапан 5. Компоновка подземного оборудования спускается в ствол метаноугольной скважины с помощью лифтовой колонны 6.
Ствол скважины перекрывается зацементированной эксплуатационной колонной 7, в которой против интервала размещения продуктивных угольных пластов выполнены перфорационные каналы 8. С помощью погружного насоса 4 пластовая вода по внутреннему каналу лифтовой колонны 6 откачивается из ствола скважины на поверхность. В процессе освоения и эксплуатации метаноугольной скважины уровень пластовой воды поддерживается на отметке, расположенной ниже перфорационных каналов 8 в эксплуатационной колонне 7. За счет этого создается необходимая депрессия на продуктивные угольные пласты, которая обеспечивает возможность развития в них процесса десорбции метана. К нижнему концу фильтра-хвостовика 1 последовательно присоединены механизм компенсации 9 осевого перемещения компоновки погружного насоса 4 и шламоуловитель 10. Последний служит для улавливания и накопления различных механических примесей, которые поступают в ствол скважины из продуктивных угольных пластов. Шламоуловитель 10 выполнен в виде удлиненного открытого сверху полого корпуса с дном 11. Нижняя часть удлиненного открытого сверху полого корпуса (шламоуловителя 10) выполнена в виде усеченного конуса, имеет форму усеченного конуса, а в дне 11 установлен обратный клапан, выполненный, например, в виде седла, перекрываемого с помощью шарового элемента. Корпус шламоуловителя 10, по сути, включает цилиндрическую часть, переходящую в конусообразную. Шламоуловитель 10, в частности, цилиндрическая часть его корпуса, к примеру, может быть составлена из насосно-компрессорных (или обсадных) труб, свинченных между собой. Верхняя часть удлиненного открытого сверху полого корпуса (шламоуловителя 10) имеет кольцевой наружный выступ 12 с конической наружной боковой поверхностью.
Механизм компенсации 9 обеспечивает возможность возвратно-поступательного осевого перемещения шламоуловителя 10 относительно компоновки погружного насоса 4, в частности, фильтра-хвостовика 1, а также поворота вокруг их общей продольной оси.
Механизм компенсации 9 связан верхним концом с компоновкой погружного насоса 4 через фильтр-хвостовик 1, а нижним концом - со шламоуловителем 10 шарнирными узлами 13 и 14. Причем шарнирный узел 14, связывающий нижний конец механизма компенсации 9 со шламоуловителем 10, содержит тяги 15, присоединенные своими свободными концами к верхней части шламоуловителя 10.
В частном случае, механизм компенсации 9 может быть выполнен в виде концентрично размещенных между собой патрубка 16 и штока 17, которые образуют ограниченно подвижное соединение (телескопическое). Один конец патрубка 16, с которым связан шарнирный узел 13, выполнен заглушенным, а другой (противоположный) конец - с внутренним кольцевым выступом 18. С одним из концов штока 17 связан шарнирный узел 14, а на другом конце выполнен наружный кольцевой выступ 19. Когда телескопическое соединение находится в выдвинутом (растянутом) положении, кольцевые выступы 18 и 19 соответственно патрубка 16 и штока 17 взаимодействуют между собой. Гидравлическая связь патрубка 16 с внешним пространством обеспечивается наличием сквозных каналов в стенках патрубка 16, которые обеспечивают возможность беспрепятственного перетекания жидкости во внутренней полости телескопического соединения при взаимном осевом перемещении патрубка 16 и штока 17.
Во внутреннем канале эксплуатационной колонны 7 размещена опорная втулка 20 с коническим посадочным местом, ответным конической боковой поверхности кольцевого наружного выступа 12. Опорная втулка 20 устанавливается в расчетном месте эксплуатационной колонны 7 в процессе строительства скважины, например, вместо одной из соединительных муфт 8, поскольку имеет присоединительные резьбовые части такие же, как у муфты. При этом участок эксплуатационной колонны 7, расположенный ниже места установки указанной опорной втулки 20, может быть выполнен из обсадных труб как нормального, так и уменьшенного диаметра (с учетом максимального наружного диаметра шламоуловителя 10).
В дне открытого сверху полого корпуса - шламоуловителе 10 размещен обратный клапан, например, шаровой 21, включающий седло, запорный орган и ограничитель запорного органа.
Предлагаемое оборудование работает следующим образом.
Шламоуловитель 10 размещают на устье, присоединяют к механизму компенсации 9 и через фильтр-хвостовик 1 соединяют с собранной компоновкой погружного насоса 4, которую на лифтовых трубах 6 спускают в скважину.
В процессе спуска перечисленного оборудования в скважину механизм компенсации 9 находится в растянутом положении. Обратный клапан 21, установленный в нижней части шламоуловителя 10, обеспечивает возможность свободного протекания жидкости в процессе спуска. Масса спускаемого подземного оборудования контролируется на устье скважины с помощью гидравлического индикатора веса (ГИВ).
При подходе шламоуловителя 10 к опорной втулке 20, скорость спуска лифтовой колонны 6 снижают. Посадка шламоуловителя 10 на опорную втулку 20 характеризуется соответствующим уменьшением массы подземного оборудования, которое фиксируется на устье скважины по показаниям ГИВ.
Находящийся в растянутом положении механизм компенсации 9, после размещения кольцевого наружного выступа 12 шламоуловителя 10 на опорной втулке 20, обеспечивает возможность выполнения операций, связанных с установкой (зацеплением) противоотворотного якоря 3 внутри эксплуатационной колонны 7. Как правило, для надежной установки механического якоря 3 необходимо выполнить поворот лифтовой колонны 6 (пол-оборота по часовой стрелке) с одновременным перемещением ее вниз.
После завершения работ, связанных со спуском колонны насосных штанг, герметизацией устья, монтажом наземного привода погружного насоса 2 и т.д., приступают к процессу откачки жидкости из ствола метаноугольной скважины.
Механические примеси, в процессе откачки жидкости на этапах освоения и эксплуатации метаноугольной скважины, постепенно скапливаются внутри шламоуловителя 10, не попадая в зумпф скважины. За счет этого отпадает необходимость в проведении ремонтных работ, связанных с очисткой зумпфа скважины от механических примесей.
Извлечение на поверхность подземного оборудования вместе с механизмом компенсации 9 и шламоуловителем 10 осуществляется в обратном порядке, при этом механизм компенсации 9 обеспечивает возможность выполнения операций, связанных со снятием (отцеплением) противоотворотного якоря 3 от эксплуатационной колонны 7.
Поднятый на поверхность шламоуловитель 10 очищают от механических примесей или заменяют на порожний. После этого вновь выполняется спуск шламоуловителя 10, механизма компенсации 9 и подземного оборудования на лифтовой колонне 6 в скважину. Затем вновь выполняется изложенная выше последовательность операций и процесс освоения или эксплуатации метаноугольной скважины возобновляется.