ПРОТИВОПОЛЕТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА
TUBING ANCHOR FOR ELECTRIC CENTRIFUGAL PUMP

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в процессе добычи нефти электроцентробежными насосами для предотвращения их падения на забой скважины.
Известно устройство для предотвращения падения колонны подъемных труб с электропогружным насосом на забой скважины (авторское свидетельство SU №1541373, МПК 8 E21B 23/00, 31/00, 1990 г.), содержащее размещенный в колонне обсадных труб заякоривающий узел и механизм его привода, выполненный в виде установленного на устье скважины с возможностью взаимодействия с колонной подъемных труб подпружиненного ролика с генератором электрического тока, установленной под электропогружным насосом с возможностью взаимодействия с колонной обсадных труб пары взаимно подпружиненных дополнительных роликов, имеющих по крайней мере один генератор электрического тока, заякоривающий узел выполнен в виде конусного плашечного захвата, размещенного под ним стержня с расположенным на нем основным и дополнительным электромагнитами противоположного действия, причем подвижные клинья плашечного захвата шарнирно соединены посредством планок со стержнем, а генераторы основного и дополнительных роликов электрически связаны между собой посредством кабеля электропогружного насоса и коллектора кабельного барабана.
Недостатком данного устройства является его ненадежность в работе из-за применения электрической схемы в управлении заякоривающего механизма, а именно:
- вероятность отказа электросистемы из-за ее работы в агрессивной среде, которая может привести к пробоям электрических узлов;
- ненадежность контактных соединений;
- возможное повреждение проводов при спускоподъемных операциях и в агрессивной среде;
- наличие в скважине отложений, приводящих к заклинке роликов, дальнейшему их проскальзыванию и, как следствие, - несрабатывание генератора электрического тока.
Отсутствие амортизирующего узла может привести к срыву и поломке заякоривающего механизма от удара или смятию деталей устройства.
Также известно устройство для предотвращения падения подземного оборудования на забой скважины, например погружного электронасоса (авторское свидетельство SU №874968, E21B 23/00, 31/00, 1990 г.), содержащее ствол с кольцевым выступом, опорным и предохранительным кольцами, установленные на стволе с возможностью взаимодействия амортизирующий узел и заякоривающий механизм, причем амортизирующий узел выполнен в виде установленного под опорным кольцом уплотнительного элемента с конусом, а заякоривающий механизм выполнен в виде подвижной гильзы с окнами, в которых установлены размещенные над кольцевым выступом ствола шары.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, отсутствие жесткой фиксации инструмента при его обрыве, отсутствие жесткой остановки инструмента при падении - оно лишь замедляет падение, амортизирует, а при наличии на стенках эксплуатационной колонны отложений, при недостаточной вязкости промывочной жидкости в скважине заякоривающий механизм скользит под весом оборванного инструмента, который в конечном итоге оказывается на забое скважины, при этом происходит порыв кабеля электропогружного насоса. И наоборот, при большой вязкости флюида, находящегося в скважине, при спуске инструмента возможно преждевременное самопроизвольное срабатывание устройства, что приведет к его заклиниванию.
- во-вторых, во время работы электроцентробежного насоса создается вибрация, а данное устройство, находясь в контакте со стенкой колонны, не ограничивает степень свободы инструмента, колебания от вибрации при работе насоса не гасятся, что приводит к ослаблению резьбовых соединений колонны НКТ и, как следствие, обрыву инструмента.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является противополетное устройство (патент RU №2175048, МПК 8 E21B 23/00 опубл. в бюл. №29 от 20.10.2001 г.), содержащее верхний и нижний переводники, ствол с установленным в его верхней части опорным кольцом, расположенные на стволе с возможностью взаимодействия амортизирующий узел с конусом и заякоривающий механизм, при этом на стволе ниже конуса выполнены симметричные фигурные пазы, имеющие короткий и длинный участки, соединенные между собой переходным участком с углом наклона 45°, причем длинный участок выполнен от нижней части конуса до нижнего переводника, длина короткого участка равна удвоенной длине минимального подрыва инструмента при спускоподъемных операциях, а расстояние от нижней части конуса до верхней части короткого участка фигурного паза равно высоте заякоривающего механизма, кроме того, в фигурном пазу при входе переходного участка в длинный установлено замковое устройство одностороннего действия, а в сквозном отверстии, выполненном в конусе и стволе, установлен срезной штифт, при этом заякоривающий механизм состоит из корпуса, расположенного на стволе с возможностью осевого перемещения, установленных равномерно по окружности корпуса и подпружиненных относительно него захватов двойного действия, в нижней части выполненных в виде заходного кулачка и в верхней имеющей зубья, кольца, установленного на корпусе, опоясывающего захваты и являющегося осью, относительно которой качаются захваты, обоймы, расположенной в нижней части корпуса с возможностью радиального вращения относительно него и жестко связанной с ним в осевом направлении, причем на внутренней поверхности обоймы выполнены канавка прямоугольного профиля и над ней выемка, а на наружной поверхности корпуса в виде секторов выполнены буртики прямоугольного профиля, во внутренней части обоймы жестко по посадке с натягом перпендикулярно оси устройства установлены диаметрально противоположные направляющие штифты.
Недостатками данного устройства являются:
- во-первых, амортизирующий элемент выполнен резиновым, что в агрессивной среде при длительной эксплуатации электроцентробежного насоса может привести к потере амортизирующий свойств.
- во-вторых, низкая надежность, связанная с тем, что отсутствие камеры для улавливания шлама и клямс кабеля электроцентробежного насоса приводит к тому, что весь шлам и оторвавшиеся от кабеля клямсы попадают на якорный узел, что может привести к заклиниванию устройства в скважине при срыве с целью извлечения его из скважины. Кроме того, наличие в конструкции устройства срезного элемента от разрушения которого зависит сработает устройство или нет, т.е. в случае обрыва колонны труб устройство окажется на забое скважины вместе с электроцентробежным насосом и кабелем, а также замкового устройства, которое может заклинить в скважине;
- в-третьих, противополетное устройство жестко связано с электроцентробежным насосом, при этом все вибрирующие нагрузки, возникающие в процессе работы электроцентробежного насоса передаются на противополетное устройство, находящееся во взаимодействии с обсадной колонной посредством заякоривающегося механизма, при этом обсадная колонна частично воспринимает вибрационные нагрузки, что оказывает негативное воздействие на крепление (цементный камень) обсадной колонны.
Задачей изобретения является повышение надежности работы за счет исключения заклинивания устройства при срыве устройства с целью его извлечения и отсутствия в конструкции устройства срезных элементов, а также исключение жесткой связи между электроцентробежным насосом и противополетным устройством с целью предохранения крепления обсадной колонны от вибрационных нагрузок и с возможность длительной работы амортизирующего элемента в агрессивной среде с расчетной нагрузкой.
Поставленная задача решается противополетным устройством для электроцентробежного насоса, содержащим верхний и нижний переводники, ствол с 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, при этом заякоривающий механизм состоит из корпуса, расположенного на стволе с возможностью осевого перемещения, установленных равномерно по окружности корпуса и подпружиненных относительно него захватов, в нижней части выполненных в виде заходного кулачка, а в верхней имеющей зубья, кольца, установленного на корпусе, опоясывающего захваты, обоймы, расположенной в нижней части корпуса с возможностью радиального вращения относительно него и жестко связанной с ним в осевом направлении, причем во внутренней части обоймы жестко по посадке с натягом перпендикулярно оси устройства установлен направляющий штифт, вставленный в фигурный паз.
Новым является то, что осевые короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы относительно ствола направляющий штифт будет расположен то в коротком осевом участке - транспортное положение, то в длинном осевом участке фигурного паза - рабочее положение, причем амортизирующий элемент выполнен в виде пружины сжатия, а между стволом и верхним переводником установлена шламоклямсоулавливающая камера заглушенная снизу, при этом сверху в верхний переводник ввернута воронка, наружный диаметр - D у верхнего конца которой больше наружного диаметра электроцентробежного насоса, причем воронка снаружи оснащена центраторами, а внутри снабжена отцепным механизмом, состоящим из цилиндра с жестковвернутым в него перпендикулярно пальцем, взаимодействующим с технологическими проточками, которые выполнены на внутренней поверхности воронки таким образом, что при возвратно-поступательном перемещении цилиндра относительно воронки палец совместно с цилиндром имеет возможность поворота относительно воронки только в одном направлении, причем последняя осевая технологическая проточка, с которой взаимодействует палец, длиннее остальных, при этом длина всех осевых технологических проточек, кроме последней равна удвоенной длине максимального подъема инструмента при проведении спускоподъемных операций.
На фиг.1 в частичном разрезе представлена нижняя часть противополетного устройства для электроцентробежного насоса.
На фиг.2 в частичном разрезе представлена верхняя часть противополетного устройства для электроцентробежного насоса.
На фиг.3 представлена развертка формы и направление фигурного паза.
На фиг.4 представлена развертка и форма технологических проточек отцепного механизма.
Противополетное устройство содержит верхний 1 (см. фиг.1 и 2) и нижний 2 переводники, ствол 3. На стволе 3 в верхней части установлено опорное кольцо 4, а ниже с возможностью взаимодействия - амортизирующий узел, выполненный в виде пружины сжатия 5 с конусом 6 и заякоривающим механизмом 7. На стволе 3 ниже конуса 6 выполнен фигурный паз 8.
Заякоривающий механизм 7 состоит из корпуса 9, расположенного на стволе 3 с возможностью осевого перемещения, установленных равномерно по окружности корпуса 9 и подпружиненных посредством пружин 10 относительно него захватов 11, в нижней части выполненных в виде заходного кулачка 12, а в верхней имеющей зубья 13. Кольцо 14 установлено на корпусе 9 и опоясывает захваты 11.
Обойма 15 расположена в нижней части корпуса 9 с возможностью радиального вращения относительно него и жестко связанной с ним в осевом направлении, причем во внутренней части обоймы 15 жестко по посадке с натягом перпендикулярно оси устройства установлен направляющий штифт 16, вставленный в вышеупомянутый фигурный паз 8, имеющий осевые короткий 17 (см. фиг.3) и длинный 18 участки.
Осевые короткий 17 и длинный 18 участки фигурного паза 8 соединены между собой замкнутым фигурным участком 19 так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении обоймы 15 (см. фиг.1 и 2) относительно ствола 3 направляющий штифт 16 будет расположен то в коротком осевом участке 17 - транспортное положение, то в длинном осевом участке 18 фигурного паза 8 - рабочее положение.
Между стволом 3 (см. фиг.1 и 2) и верхним переводником 1 установлена шламоклямсоулавливающая камера 20, заглушенная снизу. Сверху в верхний переводник 1 ввернута воронка 21, наружный диаметр - D у верхнего конца которой больше наружного диаметра электроцентробежного насоса (ЭЦН) (на фиг.1, 2, 3 и 4).
Воронка 21 (см. фиг.2) снаружи оснащена центраторами 22, а внутри снабженная отцепным механизмом 23, состоящим из цилиндра 24 с жестковвернутым перпендикулярно в него пальцем 25, взаимодействующим с технологическими проточками 26 (см. фиг.4), которые выполнены на внутренней поверхности воронки 21 (см. фиг.2 и 4) таким образом, что при возвратно-поступательном перемещении цилиндра 24 относительно воронки 21 палец 25 совместно с цилиндром 24 имеет возможность поворота относительно воронки 21 только в одном направлении.
Последняя осевая технологическая проточка 27 (см. фиг.4), с которой взаимодействует палец 25, длиннее остальных.
Длина - L всех осевых технологических проточек 26, кроме последней 27 равна удвоенной длине максимального подъема инструмента, например, L=2×0,2 м=0,4 м при проведении спускоподъемных операций (подъеме колонны труб при снятии с элеватора = 0,2 м) - в случае, когда устройство спускается в скважину не на кабеле 28 (см. фиг.2), а на колонне труб (на фиг.1, 2, 3, 4 не показано).
Конструктивные размеры пружины сжатия 5 (см. фиг.1): диаметр пружины, диаметр витка, шаг и другое, подбираются расчетным путем исходя из наружного диаметра ствола 3 и веса электроцентробежного насоса в зависимости от его типоразмера, длины и типоразмера колонны труб на которой спущен электроцентробежный насос.
Устройство работает следующим образом.
Перед началом работ противополетное устройство находится в вертикальном положении (см. фиг.1 и 2), при этом направляющий штифт 16 (см. фиг.3) должен находиться в верхней части осевого короткого участка 17 фигурного паза 8, при этом Заякоривающий механизм 7 (см. фиг.1) находится в транспортном положении и должен удерживаться в этом положении вручную, вплоть до начала входа устройства в обсадную колонну при спуске инструмента.
Палец 25 (см. фиг.4) устанавливается в самую первую осевую технологическую проточку 26, т.е. самую дальнюю от последней осевой технологической проточки 27.
Количество осевых технологических проточек 26 составляет от трех до пяти, что определяется опытным путем в зависимости от степени загрязнений внутренних стенок обсадной колонны. Поэтому в случае застревания устройства в процессе его спуска в скважину его нужно приподнять вверх и вновь продолжить спуск инструмента в скважину, при этом палец перейдет в последующую осевую технологическую проточку 26, т.е в сторону последней осевой технологической проточки 27. В данном примере на фигуре 4 изображено три осевых технологических проточек 26
Устройство посредством колонны труб или кабеля 28 (см. фиг.2) спускается в заданный интервал обсадной колонны скважины. В случае спуска устройства на кабеле 28 в нижний переводник 2 снизу вворачивается груз (фиг.1, 2, 3, 4 не показано), например, две насосно-компрессорные трубы.
Противополетное устройство устанавливается непосредственно под интервалом размещения электроцентробежного насоса (ЭЦН) в скважине.
При спуске инструмента заякоривающий механизм 7 находится в транспортном положении за счет силы трений нижней части захватов 11 о стенки обсадной колонны и не имеет возможности перейти в рабочее положение, а так как длина осевых технологических проточек 26 вдвое больше величины максимального подъема инструмента при спускоподъемных операциях (СПО) с трубами, то это обеспечивает нахождение пальца в осевой технологической проточке 26 при проведении СПО.
Достигнув необходимой глубины установки, противополетное устройство переводят из транспортного положения в рабочее, т.е. производят посадку устройства в заданном интервале обсадной колонны скважины.
Для этого с устья (на фиг.1, 2, 3, 4 не показано) скважины, например с помощью геофизического подъемника, устройство приподнимают за кабель 28 примерно на 1,5 метра вверх и опускают, в результате проделанной операции направляющий штифт 16 (см. фиг.2) при подъеме перемещается из верхней части осевого короткого участка 17 в его нижнюю часть и далее через нижнюю часть замкнутого фигурного участка 19 в нижнюю часть осевого длинного участка! 8 фигурного паза 8, а затем при спуске направляющий штифт 16 перемещается из нижней части осевого длинного участка 18 фигурного паза 8 в его верхнюю часть. При этом все детали устройства, за исключением деталей 9, 10, 11, 14 и 15 (см. фиг.1), которые остаются неподвижными благодаря контакту наружной поверхности захватов 11, подпружиненных наружу посредством пружин 10 с внутренними стенками обсадной колонны скважины перемещаются относительно деталей 9, 10, 11, 14 и 15 сначала вверх, а затем вниз.
Движение вверх направляющего штифта 16 из нижней части осевого длинного участка 18 фигурного паза 8 в его верхнюю часть продолжается до тех пор, пока захваты 11 своими зубьями 13, подпружиненные пружинами 10 в радиальном направлении своей внутренней поверхностью, не войдут в контакт с конусной поверхностью конуса 6, размещенного на стволе 3. После взаимодействия с конусом 8 зубья 13 захватов 11 под действием веса устройства и инструмента, на котором спускается предлагаемое устройство в скважину, расходятся в радиальном направлении и прижимаются к внутренней стенке обсадной колонны (на фиг.1, 2 не показано), фиксируя неподвижно устройство в скважине.
Далее приподнимают кабель 28 на длину большую длины L - осевой технологической проточки 26, например как упомянуто выше L=0,4 метра, тогда приподнимают на 0,5 метра и опускают, причем количество СПО на 0,5 метра больше чем количество осевых технологических проточек 26 и 27. В данном случае (см. фиг.4) для срабатывания отцепного механизма 23 необходимо произвести три СПО + одно СПО для гарантированного срабатывания отцепного механизма 23. В результате срабатывает отцепной механизм 23 и цилиндр 24 с перпендикулярно ввернутым в него пальцем 25 освобождается от воронки 21. Далее кабель 28 с цилиндром 24 и пальцем 25 извлекаются из скважины, а предлагаемое противополетное устройство остается в скважине. Далее в обсадную колонну скважины на колонне труб спускают установку ЭЦН, которую размещают непосредственно над предлагаемым противополетным устройством, например, на 1-1,5 м, чтобы исключить повреждения ЭЦН, а центраторы 22 центрируют предлагаемое устройство относительно оси скважины и ЭЦН.
Запускают ЭЦН в работу, при этом предлагаемое противополетное устройство не воспринимает вибрационные нагрузки, которые возникают в процессе работы ЭЦН, так как предлагаемое устройство и ЭЦН не имеют жесткой связи и, соответственно, устройство не передает вибрационную нагрузку на крепление обсадной колонны, в связи с чем, исключается негативное воздействие вибрации на крепление обсадной колонны.
В процессе работы ЭЦН возможны отрыв клямс, крепящих электрокабель к колонне труб, а также оседание шлама. Для этих целей предусмотрена шламоклямсоулавливающая камера 20, заглушенная снизу, которая посредством воронки 21 улавливает шлам и клямсы, которые в последствии извлекаются вместе с устройством. В качестве шламоклямсоулавливающей камеры 20, например, можно использовать одну насосно-компрессорную трубу диаметром 89 мм.
В случае обрыва колонны труб (на фиг.1, 2, 3, 4) на конце которой установлен ЭЦН, последний своим нижним торцом падает сверху на воронку 21, при этом наружный диаметр - D у верхнего конца воронки 21 которой больше наружного диаметра электроцентробежного насоса (ЭЦН), что позволяет обхватить ЭЦН по его нижнему торцу. Кроме того, воронка 21 резко снижает вероятность попадания кабеля в случае его обрыва под предлагаемое устройство.
При необходимости, например, в случае обрыва колонны труб с ЭЦН, после излечения оборванной колонны труб с ЭЦН, предлагаемое устройство можно извлечь из скважины, например для профилактики его технического состояния.
Для этого спускают в скважину ловитель на канате (на фиг.1, 2, 3, 4 не показано) любой известной конструкции с внутренним захватом. Достигнув интервала посадки устройства ловитель попадает внутрь воронки 21 где фиксируется на ее внутренней поверхности 29. После чего с устья скважины посредством каната 28 устройство поднимают вверх, при этом направляющий штифт 16, перемещается относительно движущегося вверх ствола 1 из верхней части осевого длинного участка 4 фигурного паза 2 (см. фиг.2) в верхнюю часть замкнутого фигурного участка 19, а затем при спуске перемещается из верхней части замкнутого фигурного участка 19 в верхнюю часть осевого короткого участка 16 фигурного паза 2, переводя устройство из рабочего положения в транспортное. При этом все детали устройства за исключением деталей 9, 10, 11, 14 и 15 (см. фиг.1 и 2), которые остаются неподвижными благодаря контакту наружной поверхности захватов 11, подпружиненных наружу посредством пружин 10 с внутренними стенками обсадной колонны скважины перемещаются относительно деталей 9, 10, 11, 14 и 15 сначала вверх, а затем вниз.
Предлагаемое противополетное устройство для электроцентробежного насоса позволяет повысить надежность работы за счет отсутствия в конструкции устройства срезных элементов. Кроме того, конструкция предлагаемого устройства исключает его заклинивание при срыве устройства из интервала посадки перед извлечением, так как над заякоривающимся узлом установлена шламоклямсоулавливающая камера для сбора шлама и оторвавшихся от кабеля клямс, что позволяет избежать заваливание заякоривающегося узла, а выполнение амортизирующего узла в виде пружины сжатия позволяет устройству длительно работать в агрессивной среде с расчетной нагрузкой.