противополетное устройство

Формула изобретения

Противополетное устройство, 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, отличающееся тем, что на стволе ниже конуса выполнены симметричные фигурные пазы, имеющие короткий и длинный участки, соединенные между собой переходным участком с углом наклона 45^o, 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения падения скважинного оборудования на забой скважины.

Известно устройство для предотвращения падения колонны подъемных труб с электропогружным насосом на забой скважины по авт.св. N 1541373, E 21 В 23/00, 31/00, 1990, 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 известного устройства является его ненадежность в работе из-за применения электрической схемы в управлении заякоривающего механизма. Ненадежность электрической схемы связана с рядом причин:

- 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.

Кроме того, осевое перемещение НКТ, необходимое для срабатывания устройства, приводит к обрыву и полету инструмента и электрического кабеля. А отсутствие амортизирующего узла может привести к срыву и поломке заякоривающего механизма от удара или смятию деталей устройства.

Известное устройство также не обеспечивает предотвращение падения колонны труб при обрыве инструмента на дневной поверхности, потому что ролики будут вращаться с одинаковой скоростью до тех пор, пока голова обрыва не пройдет верхний ролик. Поэтому увеличивается время начала срабатывания устройства. В итоге происходит обрыв кабеля и создание аварийной ситуации.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбранным за прототип является устройство для предотвращения падения подземного оборудования на забой скважины, например погружного электронасоса, по авт. св. N 874968, E 21 В 23/00, 31/00, 1990, 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 известного устройства являются 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 время работы электроцентробежного насоса создается вибрация, а так как известное 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.

Нежелателен при использовании известного устройства эффект поршневания, который может привести к порыву пласта.

Недостатком известного устройства является также невозможность проведения геолого-промысловых исследований при включении данного устройства в компоновку подземного оборудования.

Техническим результатом изобретения является повышение надежности работы устройства за счет:

- жесткой фиксации инструмента при обрыве,

- возможности только одностороннего перемещения устройства при подъеме труб,

- отсутствия осевых перемещений при обрыве труб,

- полного гашения вибрации за счет жесткого контакта с колонной,

- а также возможность проведения геолого-промысловых исследований при включении предлагаемого устройства в компоновку подземного оборудования.

В противополетном устройстве, содержащем 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, согласно изобретению на стволе ниже конуса выполнены симметричные фигурные пазы, имеющие короткий и длинный участки, соединенные между собой переходным участком с углом наклона 45^o, причем длинный участок выполнен от нижней части конуса до нижнего переводника, длина короткого участка равна удвоенной длине минимального подрыва инструмента при спуско-подъемных 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 его захватов двойного действия, в нижней части выполненных в виде заходного кулачка, и 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 его 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.

На фиг. 1 представлено противополетное устройство, общий вид; на фиг. 2 - заякоривающий механизм в разрезе; на фиг. 3 - разрез обоймы заякоривающего механизма; на фиг. 4 - развертка формы и направление фигурного паза; на фиг. 5 - замковое устройство: а) в статическом положении, б) во время прохождения через него направляющего штифта.

Противополетное устройство содержит верхний 1 и нижний 2 переводники, ствол 3. На стволе 3 в верхней части установлено опорное кольцо 4, а ниже с возможностью взаимодействия - амортизирующий узел 5 с конусом 6 и заякоривающий механизм 7. На стволе 3 ниже конуса 6 выполнены симметричные фигурные пазы 8 для задания движения заякоривающему механизму при переводе его только из транспортного положения в рабочее. Фигурные пазы 8 имеют короткий 9 и длинный 10 участки. Эти участки (9 и 10) соединены между собой переходным участком 11 с углом наклона 45^o. Длинный участок 10 выполнен от нижней части конуса 6 до нижнего переводника 2. Длина короткого участка 9 равна удвоенной длине минимального подрыва инструмента при спускоподъемных операциях, что не дает устройству переходить из транспортного положения в рабочее. Расстояние от нижней части конуса 6 до верхней части короткого участка 9 фигурного паза 8 равно высоте заякоривающего механизма 7, такое расстояние не дает захватам 17 взаимодействовать с конусом 6 в транспортном положении противополетного устройства. Кроме того, в фигурном пазу 8, при входе переходного участка 11 в длинный 10, установлено замковое устройство 12 одностороннего действия. В конусе 6 и стволе 3 выполнено сквозное отверстие 13, в котором установлен срезной штифт 14, фиксирующий конус 6. Заякоривающий механизм 7 состоит из корпуса 15, расположенного на стволе 3 с возможностью осевого перемещения; установленных равномерно по окружности корпуса 15 и подпружиненных относительно его пружинами 16 захватов 17 двойного действия. Захваты 17 в нижней части 18 выполнены в виде заходного кулачка и в верхней 19 - имеют зубья. Кроме того, заякоривающий механизм 7 содержит кольцо 20, установленное на корпусе 15, опоясывающее захваты 17 и являющееся осью, относительно которой качаются последние (17). Обойма 21 расположена в нижней части корпуса 15, с возможностью радиального вращения относительно его (15) и жестко связанная с ним (15) в осевом направлении. На внутренней поверхности обоймы 21 выполнены канавка 22 прямоугольного профиля, а над ней (22) - выемка 23. На наружной поверхности корпуса 15 в виде секторов выполнены буртики 24 прямоугольного профиля. Во внутренней части обоймы 21 жестко по посадке с натягом, перпендикулярно оси устройства, установлены диаметрально противоположные направляющие штифты 25.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работ противополетное устройство находится в вертикальном положении (фиг. 1), при этом диаметрально противоположные направляющие штифты 25 должны находиться в верхней части короткого участка 9 фигурного паза 8. Заякоривающий механизм 7 находится в транспортном положении и должен удерживаться в этом положении вручную, вплоть до начала входа устройства в обсадную колонну при спуске инструмента. Противополетное устройство устанавливается непосредственно под электроцентробежным насосом (ЭЦН) и спускается вместе с ним в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ). При спуске инструмента заякоривающий механизм 7 находится в транспортном положении за счет силы трений нижней части 18 захватов 17 о стенки колонны и не имеет возможности перейти в рабочее положение, так как длина короткого участка 9 вдвое больше величины минимального подрыва инструмента при спускоподъемных операциях, она и обеспечивает нахождение направляющих штифтов 25 в коротком участке 9 при проведении СПО. Достигнув необходимой глубины установки, противополетное устройство переводят из транспортного положения в рабочее. Для этого производят подъем инструмента на высоту, вдвое превышающую длину короткого участка 9 фигурного паза 8 (0,8-1,2 м) и заякоривающий механизм 7 перемещается вниз относительно противополетного устройства. Диаметрально противоположные направляющие штифты 25, перемещаясь вниз по короткому участку 9 фигурного паза 8, попадают в переходный участок 11. При перемещении направляющих штифтов 25 по переходному участку 11 фигурного паза 8 радиальный проворот относительно ствола 3 противополетного устройства и корпуса 15 под действием сил инерции совершает обойма 21, проходя буртиками 24 по канавке 22 (корпус 15 в радиальном направлении остается неподвижным). При переводе противополетного устройства из транспортного положения в рабочее, как и при его спуске, в контакте со стенкой колонны находятся нижние части 18 захватов 17, верхние части 19, содержащие зубья, прижаты к стволу 3, образуя гарантированный зазор со стенкой колонны. Этот зазор исключает контакт и износ зубьев захватов 17. После прохождения через замковое устройство 12 направляющие штифты 25 попадают в длинный участок 10 фигурного паза 8. Замковое устройство 12 полностью запирает обратный вход в переходный участок 11. Таким образом, переход из транспортного положения в рабочее возможен только однократно и обратный переход противополетного устройства из рабочего положения в транспортное полностью исключен. Далее инструмент опускают вниз, а заякоривающий механизм 7 перемещается вверх относительно противополетного устройства, оставаясь неподвижным относительно колонны за счет сил трения нижней части 18 захватов 17 о стенки колонны. Диаметрально противоположные направляющие штифты 25, находясь в нижней части длинного участка 10 фигурного паза 8, перемещаются вверх по последнему (10). Обеспечивается взаимодействие заякоривающего механизма 7 с конусом 6, при котором захваты 17 входят в контакт с конусом 6, раздвигаясь от центра к стенке скважины, и прижимаются своей верхней частью 19 к внутренней поверхности стенки обсадной колонны, и за счет наличия зубьев значительно увеличивается сила трения. Противополетное устройство устанавливается в рабочее положение. Нижняя часть 18 захватов 17 погружается в выемки 23 корпуса 15. Приложенная к противополетному устройству нагрузка от веса инструмента передается непосредственно на конус 6 через срезные штифты 14. При этом производится частичная расчетная разгрузка инструмента на противополетное устройство, при которой сохраняется целостность срезного штифта 14, что, в свою очередь, подтверждает правильную установку устройства. Установленное устройство полностью исключает движение инструмента вниз вдоль своей оси, а также его радиальный проворот под действием вибрации от ЭЦН за счет сил трения конуса о захваты, захватов - о стенки обсадной колонны.

В случае обрыва инструмента, т.е. разрушения целостности резьбовых соединений в муфтах НКТ или проскальзывания инструмента в клиньях ротора, во время работы с ЭЦН происходит резкое увеличение нагрузки на опорное кольцо 4, при которой срезной штифт 14 срезается, приводя в действие амортизирующий узел 5. При этом приложенная нагрузка от веса оборвавшегося инструмента передается конусу 6 через амортизирующий узел 5 и опорное кольцо 4. А так как противополетное устройство находится в рабочем положении, то оно остается неподвижным относительно обсадной колонны. Устройство упруго принимает на себя весь вес оборвавшегося инструмента, исключая перемещение последнего не более чем на величину сжатия амортизирующего узла 5, а также исключая обрыв электрического кабеля. Если веса инструмента недостаточно для срезания штифта 14, амортизирующий узел 5 не приводится в действие и оборвавшийся инструмент жестко удерживается на устройстве, так как сила инерции у данной оборвавшейся части инструмента не велика из-за малого веса, она не будет требовать упругой остановки. В любом случае обрыв инструмента контролируется по изменению производительности насоса. По завершению работ, связанных с ЭЦН, при сохранении целостности НКТ противополетное устройство поднимают на поверхность. Для этого к последнему прикладывают осевое усилие, направленное вверх. Конус 6 выходит из зацепления с захватами 17, верхняя часть 19 захватов 17 под действием пружин 16 прижимается к продольной оси противополетного устройства. Образуется зазор между зубьями верхней части 19 захватов 17 и стенкой обсадной колонны. Нижняя часть 18 захватов 17 прижимается к обсадной колонне. Весь заякоривающий механизм 7 с направляющими штифтами 25 перемещается вниз по длинному участку 10 фигурного паза 8. Всякий раз, при подъеме, перемещая инструмент вниз, заякоривающий механизм 7 с направляющими штифтами 25 будет перемещаться вверх, приводя противополетное устройство в рабочее положение. Это играет важную роль в случае обрыва или проскальзывания инструмента, т. к. перемещение устройства вниз более чем на длину длинного участка 10 будет невозможным.

Использование предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом позволит повысить надежность работы предлагаемого противополетного устройства за счет:

- жесткой фиксации инструмента при обрыве,

- возможности только одностороннего перемещения устройства при подъеме труб,

- отсутствия осевых перемещений при обрыве труб,

- полное гашение вибрации за счет жесткого контакта с колонной,

- позволит исключить порыв кабеля электропогружного насоса и, тем самым, предотвратить аварийные ситуации, влекущие за собой большие материальные затраты.

Кроме того, при работе предлагаемого устройства появляется возможность проведения геолого-промысловых исследований при включении предлагаемого устройства в компоновку подземного оборудования и при его использовании отсутствует эффект поршневания.