скважинный пробойник для труб

Формула изобретения

1. СКВАЖИННЫЙ ПРОБОЙНИК ДЛЯ ТРУБ, спускаемый в скважину на рабочей колонне, содержащий полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале корпуса поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, образующий с цилиндром штоковую камеру, отличающийся тем, что он снабжен установленным в полости цилиндра и образующим с ним рабочую камеру полым плунжером с каналами, сообщающими полость плунжера со штоковой камерой, связанным срезным элементом со штоком, жестко связанным с цилиндром переводником с верхней упорной поверхностью и отверстиями, сообщающими его полость с пространством скважины, установленным в переводнике с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с упорной поверхностью переводника конусом, жестко связанным с рабочей колонной и срезным элементом с переводником и обратным клапаном, выполненным в виде разрушаемой заглушки, установленной в переводнике с возможностью взаимодействия с конусом при осевом перемещении последнего для сообщения полости переводника с рабочей камерой, при этом ось бокового канала корпуса расположена под углом к плоскости, перпендикулярной направлению осевого перемещения штока.

2. Пробойник по п. 1, отличающийся тем, что угол между осью бокового канала корпуса и полостью, перпендикулярной направлению осевого перемещения штока, выбирают не более 25^o.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подземному ремонту скважин и может быть использовано при ремонте и ликвидации нефтяных и иных скважин.

Известен скважинный пробойник для труб, содержащий цилиндр и корпус, в котором установлен поршень с рабочим органом [1]

Недостатком данного пробойника является его громоздкость и неэффективность вследствие необходимости использования дополнительного комплекта колонны труб высокого давления и технических средств для закачки в них рабочей жидкости.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинный пробойник для труб, содержащий цилиндр и корпус, в котором установлен поршень с рабочим органом. В цилиндре размещен полый плунжер с каналами и связанным с ним срезным элементом штоком, образующими с цилиндром и корпусом две камеры, одна из которых штоковая, сообщается через каналы плунжера с внутренней полостью последнего, а другая через обратный клапан со скважинным пространством, причем верхний торец штока образует с полостью корпуса камеру, заполненную маслом [2]

Недостатком данной конструкции пробойника является его ненадежная работа в скважинах с большим парафинообразованием, отложением солей, гидратообразованием в трубах НКТ, а также при работе в наклонно направленных скважинах. Как показал многолетний опыт эксплуатации пробойников в подобных скважинах груз-упор в этом случае может застрять, не дойдя до пробки (место, где необходимо пробить отверстие). В этом случае, пробойник может сработать и в нетребуемом интервале. В нефтепромысловой практике были и другие случаи. Например, при использовании пробойника в осложненных условиях груз-упор сбрасывали в скважину, навинчивая на штангу или несколько штанг. В этом случае, вес груза-упора увеличивался и он проходил через отложения парафина, солей, наклонные участки скважины до пробки. Однако впоследствии после сбрасывания пробойника, пробойник все же не доходил до груза-упора и застревал по пути в НКТ. В этом случае возникала необходимость проталкивать устройство до груза-упора колонной штанг. При этом возникали и такие ситуации, что конец рычага обратного клапана пробойника случайно задевал отложения в трубах и устройство срабатывало также в нетребуемом интервале.

Другим существенным недостатком данного устройства является также его недостаточная надежность работы в случаях использования его с упором малой жесткости, например, когда груз-упор сброшен в скважину с одной двумя штангами или когда в качестве упора используется оборванный конец штанговой колонны и т.д. Это объясняется тем, как указывалось выше, что даже в случае если груз-упор со штангами все же дойдет до пробки, то пробойник может застрять и его придется проталкивать колонной штанг до груза-упора. В этом случае бригада подземного ремонта, опускает штанги и проталкивает инструмент до тех пор, пока не почувствует, что пробойник не уперся в груз-упор. В этот момент на пробойник действуют достаточно большие осевые нагрузки, обусловленные передачей части веса штанговой колонны на корпус пробойника. В начальный момент, когда конец рычага пробойника коснется груза-упора, открывается обратный клапан, жидкость, начинает действовать на плунжер пробойника, и поршень с рабочим органом начинает внедряться в стенку пробиваемой трубы. Одновременно корпус пробойника также продолжает нагружаться весом колонны штанг. Часть веса колонны штанг начинает передаваться через корпус пробойника на груз-упор. Учитывая, что груз-упор опущен с 1-2 штангами, также принимая во внимание, что и пробка, о которую уперся груз-упор, может иметь малую жесткость (например пробка из парафина, асфальтосмолистых отложений и т.п.), груз-упор в этот момент начинает проседать. Следовательно, проседает и корпус пробойника, причем он сдвигается вниз одновременно с внедрением рабочего органа в стенку НКТ. Таким образом, перемещение корпуса вниз при внедренном рабочем органе, приводит к перекосу поршня в радиальном канале, что нарушает их нормальное сопряжение и вызывает их быстрый износ или даже слом рабочего органа. С этой особенностью работы инструмента столкнулись нефтяники НГДУ "Арланнефть", "Южарланнефть", "Ишимбайнефть" и другие в процессе более, чем 10-летней его эксплуатации.

Как недостаток можно рассматривать и ограниченные функциональные возможности известного пробойника, так как он выполнен свободного сбрасывания, а в практике, в некоторых случаях, это сделать невозможно и необходимо его спускать на штанговой колонне, для чего он не предназначен.

Целью изобретения является повышение надежности пробойника и расширение его функциональных возможностей.

Указанная цель достигается тем, что ось радиального канала расположена под углом к плоскости, перпендикулярной к направлению осевого перемещения штока. К цилиндру жестко крепится переводник, внутри которого установлен с возможностью осевого перемещения конус, жестко связанный с рабочей колонной. Конус крепится к переводнику через срезной штифт и в крайнем нижнем положении взаимодействует с разрушаемой заглушкой. Внутренняя полость переводника гидравлически связана с окружающей средой посредством перфорированных отверстий, а обратный клапан выполнен в виде разрушаемой заглушки. При этом угол между осью радиального канала и плоскостью, перпендикулярной к направлению осевого перемещения штока, лежит в пределах от 0 до 25^о.

Анализ известных технических решений, содержащих признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипа показал, что существует скважинный труборез [3] принцип работы которого аналогичен предлагаемому техническому решению. Данный труборез опускается в скважину также на рабочей колонне (колонна штанг) и содержит также радиальный канал, поршень с рабочим органом. Однако один из отличительных признаков, а именно, выполнение оси радиального канала под углом к плоскости, перпендикулярной к направлению перемещения штока, придает предлагаемому объекту новое свойство свойство компенсировать осевую нагрузку от веса колонны, что повышает надежность работы устройства.

Новое свойство указывает на соответствие предлагаемого решения критерию "Изобретательский уровень".

На фиг. 1 изображен скважинный пробойник, продольный разрез; на фиг.2 схема слома разрушаемой заглушки, а) до слома, б) после слома; на фиг.3 схема сил, действующих на пробойник.

Пробойник содержит корпус 1 с осевой герметизированной камерой 2 и радиальным каналом 3. Камера 2 и радиальный канал 3 гидравлически связанный с помощью канала 4. В радиальном канале 3 размещен поршень 5 с рабочим органом 6, выполненным из твердого материала. Зазор между поршнем и корпусом уплотняется специальными уплотнительными кольцами 7. В осевую герметизированную камеру 2 подвижно входит шток 8, имеющий уплотнение 9. Шток 8 соединяется с полым плунжером 10 посредством срезного элемента 11. Полый плунжер 10 взаимодействует с цилиндром 12 через уплотнительные кольца 13 и делят внутреннюю полость цилиндра 12 на две части штоковую камеру 14 и камеру 15. Камера 14 и внутренняя полость плунжера 10 гидравлически связаны посредством отверстия 16 и таким образом представляют собой единый резервуар. Камера 15 изолирована от окружающей среды посредством разрушаемой заглушки 17. Цилиндр 12 пробойника снабжен жестко связанным с ним переводником 18. Внутри переводника 18 установлен с возможностью осевого перемещения конус 19, в транспортном положении связанный с переводником 18 посредством срезного штифта 20. Конус 19 жестко связан с рабочей колонной 21. Внутренняя полость переводника 18 гидравлически связана с окружающей средой посредством отверстий 22. Ось радиального канала 3 расположена по отношению к плоскости, перпендикулярной направлению осевого перемещения штока 8, под углом, лежащим в пределах от 0 до 25^о (обоснование будет дано ниже). На фиг.1 также показан упор 23 в виде, например, оборванной колонны штанг, и колонна НКТ 24, в которой необходимо пробить отверстие.

Пробойник работает следующим образом.

Устройство опускается в пробиваемую колонну НКТ на рабочей колонне 21 (колонна штанг). После упора корпуса 1 пробойника об упор 23 (например, верхняя часть оборванной колонны штанг), под действием веса рабочей колонны 21 происходит срезание штифта 20, и конус 19, перемещаясь вниз, разрушает заглушку 17, в результате чего давление, создаваемое столбом жидкости в трубах, начинает действовать на торец плунжера 10. Под этим давлением плунжер 10, связанный со штоком 8 через срезной элемент 11, идет вниз, вытесняя жидкость из осевой герметизированной камеры 2 под поршень 5. Поршень 5 начинает двигаться в радиальном направлении и внедряет рабочий орган 6 в стенку трубы происходит пробивка НКТ.

Срезной элемент 11, соединяющий шток 8 с плунжером 10, рассчитан на усилие, необходимое только для пробивки стенки колонны труб. По этой причине после упора бурта штока 8 в торец корпуса 1 указанный штифт срезается в процессе дальнейшего перемещения плунжера 10. В результате прекращается действие усилия на шток 8 и давление в камерах 3 и 14 выравнивается. В дальнейшем, под действием давления окружающей среды поршень 5 утапливается в корпус 1, выдергивая рабочий орган 6 из отверстия. При этом шток 8 вытесняется обратно в камеру 14 и телескопически входит в плунжер 10. Таким образом обратный ход поршня 5 с рабочим органом 6 открывает отверстие в стенке трубы, чем обеспечивается надежное сообщение полости труб с затрубным пространством.

С другой стороны, вследствие того, что движение поршня 5 происходит под определенным углом , на корпус 1 в процессе пробивки отверстия действует вертикальная составляющая силы реакции, направленная вверх, которая в какой-то степени компенсирует проседание корпуса 1 пробойника от веса рабочей колонны, т. е. в данном случае, существенно снижается нагружение рабочего органа 6 пробойника в момент, когда он внедряется в стенку НКТ, что уменьшит вероятность его слома. С другой стороны, улучшаются условия движения поршня 5 в радиальном канале 3 в момент пробивки отверстия, также уменьшается вероятность его перекоса и заклинивания в канале 3.

Оценим предельное значение угла исходя из скважинных условий. Как показывает многолетний опыт эксплуатации пробойников, а также испытания его на экспериментальном стенде, необходимое давление дл пробивки отверстия в НКТ (самой большой группы прочности) не превышает 50 атм, т.е. для пробивания отверстия пробойник необходимо погрузить под уровень жидкости около 500-600 м. Определим силу внедрения рабочего органа в тело НКТ или силу реакции F_p (фиг. 3). При этом, как показывает практика, для НКТ 73 диаметр полого плунжера не превышает 38-40 мм, диаметр штока 10 мм, а диаметр поршня с рабочим органом также около 38-40 мм. Данные цифры получены из конструктивных соображений, увеличение диаметра полого плунжера и поршня с рабочим штоком ограничено внутренним диаметром НКТ 73.

Учитывая вышесказанное, усилие, действующее на шток, можно определить по формуле

50 кг/см² 630 кг

Давление, развиваемое под поршнем с рабочим штоком (в камере 2 и 3)

630 500 атм

Усилие, действующее на рабочий орган в момент пробивки отверстия равно

500 кг/см² 6300 кг 6,5 т

Таким образом, сила реакции не превышает 6500 кг, т.е. F_p 6500 кг.

С другой стороны, для оценки угла необходимо оценить максимальную осевую нагрузку передающуюся на корпус от веса колонны штанг F_шт.

В настоящее время на промыслах страны применяются в большей мере штанговые элеваторы грузоподъемностью 5 т. Тогда примем, что вес колонны штанг, используемой для "проталкивания" пробойника, не превышает 5 т. Возникает вопрос, а какая часть веса колонны передается на пробойник при его упоре о пробку? Очевидно, что в процессе передачи веса штанговой колонны большую роль играет кривизна скважины, наличие в трубах парафина, смол и других отложений. Для оценки этого нами были проведены промысловые эксперименты на различных типах скважин. Оказалось, что в большинстве случаев, лишь не более 40-50% веса колонны передается на пробойник. Это объясняется тем, что при упоре колонны штанг о пробойник она теряет устойчивость и приобретает спиралеобразную форму (форму пружины), т.е. при увеличении осевого усилия ее как бы прижимает к внутренней поверхности НКТ, в результате чего резко увеличиваются силы трения штанги об НКТ. Таким образом, при разгружении на устье элеватора, т. е. при нагружении колонны штанг ее весом (в момент упора колонны о пробойник и пробку), колонна штанг как бы "зависает" (вследствие потери устойчивости) и не весь ее вес передается на пробойник. Таким образом, можно с большой степенью уверенности утверждать, что на пробойник передается осевая нагрузка от веса штанг не более 2,5 т. Эта крайняя предельная цифра, так как в большинстве случаев она много меньше, что объясняется тем, что нагружение корпуса пробойника весом колонны штанг требует определенного времени, а процесс уже пробивки занимает несколько секунд, т.е. до того момента как на корпус пробойника начнет действовать максимальная нагрузка, пробойник же пробьет отверстие и рабочий орган уже выйдет из зацепления со стенкой НКТ.

Таким образом, угол можно оценить по формуле

sin 0,4, т.е. 2358

Или округляя в большую сторону, можно принять 25^о, т.е. при таком угле вертикальная составляющая реакции будет уравновешивать вес штанговой колонны и не допустит "проседание" корпуса при его максимальном нагружении. Ввиду большого разнообразия скважинных условий точное определение угла к конкретной скважине затруднено да и маловероятно, ввиду влияния на данный угол множества факторов, таких как, кривизна, тип штанговой колонны, загрязненность труб, коэффициент трения штанг об НКТ и корпуса пробойника об НКТ и т.д. Вместе с тем, выполнение заведомо большего угла , чем требуется, может вызвать обратный эффект т.е. заклинивание поршня 5 с рабочим органом в канале 3 под действием уже реактивной силы F_ру, а не веса штанговой колонны. Поэтому целесообразнее при выпуске изделий в промышленном масштабе установить заведомо небольшой угол в пределах 5-10^о, чтобы несколько компенсировать вес колонны штанг, передаваемый на корпус реактивной силой, и уменьшить вероятность слома рабочего органа 6 и заклинивания поршня 5. В соответствии с этим, предлагается 25^орассматривать как предельный угол для самого наихудшего случая.

Подобное выполнение пробойника позволяет повысить его надежность и расширить его функциональные возможности. Так, например, данное устройство в отличие от прототипа позволяет осуществить его доставку до места и срабатывание с помощью колонны штанг. Что особенно необходимо при пробивки отверстия в НКТ наклонно направленных скважин, в трубах с отложениями. Таким образом, исключаются случаи его застревания в трубах, нет необходимости сбрасывать груз-упор. Большим достоинством предлагаемого устройства является то, что в процессе пробивки отверстия сила реакции компенсирует вес рабочей колонны передающийся на корпус. Подобное выполнение пробойника позволяет существенно снизить нагружение рабочего органа от веса колонны, исключить перекосы поршня в радиальном канале и тем самым повысить надежность устройства.

Необходимость пробивания отверстия в НКТ возникает в случае, когда нет другой возможности слить жидкость из трубы другими способами. Например, в случае закупорки труб отложениями парафина, смол, песчаной пробки, гидратной пробки, когда не заловлен всасывающий клапан ШСН невставного типа, обрыв штанги, не сбит сливной клапан и т.д. Во всех этих случаях подъем труб будет сопровождаться изливом жидкости на устье, что ухудшает условия работы бригад подземного ремонта скважин, вызывает потери части продукции скважины, повышается пожароопасность, загрязняется окружающая среда. Учитывая, что в настоящее время ужесточаются требования к охране окружающей среды, актуальность данного изобретения должна возрастать.