Устройство для очистки скважины от песчаной пробки

Изобретение относится к эксплуатации и ремонту скважин и может быть использовано для очистки скважин от песчаных пробок и шлама с применением колтюбинговых труб.

Анализ существующего уровня показал следующее:

- известно устройство для очистки скважины от песчаной пробки, содержащее переходный модуль, включающий переходник (переводник), ударную гильзу, включающую полый корпус (полый цилиндр) со сливными отверстиями (радиальными каналами) (см. п. РФ №2213848 от 18.12.01 г. по кл. Е21В 37/00, 21/00, опубл. в ОБ №28, 2003 г.) В нижней части гильзы выполнены торцовые зубья. В гильзе установлен механизм разрушения, включающий полый шток (полый цилиндрический корпус), в нижней части жестко соединенный с коронкой, снабженной торцовыми зубьями (твердосплавными резцами) и имеющей радиальные каналы (вертикальные промывочные каналы).

Недостатками указанного устройства являются низкая эффективность разрушения песчаной пробки и ненадежность работы устройства, обусловленные рядом причин:

- механизм разрушения и гильза совершают только возвратно-поступательные движения, воздействуя на песчаную пробку ударами, в результате чего не всегда удается разрушить сильно сцементированные участки песчаной пробки;

- для возвратно-поступательного движения ударной гильзы необходимо постоянно контролировать вес компоновки инструмента, под действием которого эти движения совершаются, т.к. превышение веса может привести к невозможности ударов ударной гильзы по песчаной пробке;

- отсутствие принудительного возврата механизма разрушения в исходное положение может привести к заклиниванию устройства.

В качестве прототипа взято устройство для очистки скважины, содержащее переходный модуль, включающий переходник, ударную гильзу, включающую полый корпус со сливными (циркуляционными) отверстиями, жестко соединенный в нижней части с кожухом, снабженным торцовыми зубьями, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб, и механизм разрушения, коаксиально установленный в гильзе, включающий полый шток с радиальными отверстиями, в верхней части выполненный в виде кольцевого рабочего поршня, переходящий в клапанный узел (торцовый клапан), а в нижней - жестко соединенный с коронкой, снабженной торцовыми зубьями и имеющей радиальные каналы, при этом переходный модуль, ударная гильза и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал (см. п. РФ №2242585 от 28.05.03 г. по кл. Е21В 37/00, 21/00, опубл. в ОБ №, 2004 г.)

Недостатками указанного устройства являются низкая эффективность разрушения песчаной пробки и недостаточно высокая надежность работы устройства, обусловленные рядом причин:

- подвижность только механизма разрушения не позволяет механически воздействовать на песчаную пробку по всему периметру осевого канала, а гидромониторного воздействия насадки недостаточно для разрушения сцементированных участков песчаной пробки;

- механизм разрушения совершает только возвратно-поступательные движения, воздействуя на песчаную пробку ударами, не обеспечивая разрушения сильно сцементированных участков песчаных пробок;

- отсутствие принудительного возврата механизма разрушения в исходное положение приводит к заклиниванию устройства.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, сводится к следующему:

- повышается эффективность разрушения песчаной пробки за счет особой конструкции ударной гильзы и механизма разрушения, обеспечивающих сочетание ударного и вращательного воздействия на сильно сцементированные участки песчаной пробки;

- повышается надежность работы устройства за счет обеспечения принудительного возврата механизма разрушения и ударной гильзы в исходное положение, осуществляемого гидравлическими связями и пружинами, с исключением заклинивания устройства.

Технический результат достигается с помощью известного устройства, содержащего переходный модуль, включающий переходник, ударную гильзу, включающую полый корпус со сливными отверстиями, жестко соединенный в нижней части с кожухом, снабженным торцовыми зубьями, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб, и механизм разрушения, коаксиально установленный в гильзе, включающий полый шток с двумя радиальными отверстиями, в верхней части выполненный в виде кольцевого рабочего поршня, переходящий в клапанный узел, а в нижней - жестко соединенный с коронкой, снабженной торцовыми зубьями и имеющей радиальные каналы, при этом переходный модуль, ударная гильза и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал.

Согласно изобретению переходный модуль дополнительно содержит центратор, жестко соединенный в верхней части с переходником и имеющий внутренний кольцевой выступ с симметрично расположенными под ним дренажными отверстиями.

Переходный модуль телескопически связан с ударной гильзой через подпружиненный полый центрирующий переводник, в верхней части содержащий ограничитель нижнего хода, в средней части имеющий коническое расширение к низу внутреннего канала с образованием рабочей камеры, а в нижней части жестко соединенный с полым корпусом ударной гильзы.

Верхняя часть полого корпуса ударной гильзы содержит внутреннее кольцевое седло, нижняя имеет проточку с нижним выступом, а сливные отверстия выполнены в средней части. Выше и ниже сливных отверстий полый корпус ударной гильзы имеет расположенные диаметрально противоположно по два циркуляционных отверстия и между ними по два верхних и нижних резьбовых отверстия под упорные стопоры. При этом кожух ударной гильзы в средней части имеет радиальные наклонные отверстия.

Кольцевой рабочий поршень механизма разрушения имеет в верхнем торце кольцевую проточку.

Механизм разрушения дополнительно содержит расположенный на штоке под кольцевым рабочим поршнем гидрораспределительный узел, состоящий из стакана и кольцевого гидрораспределительного поршня, подпружиненных между собой с возможностью образования гидравлической связи со сливными отверстиями полого корпуса ударной гильзы, причем нижний торец кольцевого гидрораспределительного поршня имеет кольцевую проточку.

На внешних боковых поверхностях кольцевого рабочего поршня и кольцевого гидрораспределительного поршня механизма разрушения на уровне верхних и нижних резьбовых отверстий под упорные стопоры соответственно полого корпуса ударной гильзы симметрично относительно оси устройства расположены по два фигурных паза в форме параллелограмма, выполненные в зеркально отображенном положении относительно плоскости, перпендикулярной оси устройства, обеспечивающие зацепы концов упорных стопоров в нижнем остром углу параллелограмма фигурных пазов на кольцевом рабочем поршне и в верхнем остром углу параллелограмма фигурных пазов на кольцевом гидрораспределительном поршне. Между фигурными пазами расположены по два симметричных циркуляционных отверстия.

Симметричные циркуляционные отверстия кольцевого рабочего поршня имеют возможность образования гидравлической связи с кольцевой проточкой в верхнем торце последнего и двумя циркуляционными отверстиями полого корпуса ударной гильзы, а симметричные циркуляционные отверстия кольцевого гидрораспределительного поршня - с кольцевой проточкой в нижнем торце последнего, двумя радиальными отверстиями полого штока и двумя циркуляционными отверстиями полого корпуса ударной гильзы.

Клапанный узел расположен в рабочей камере полого центрирующего переводника ударной гильзы и выполнен в виде сердечника с установленным на нем в верхней части подпружиненным клапаном, зафиксированным компенсирующим кольцом и регулировочной гайкой. Сердечник в нижней части жестко соединен с кольцевым рабочим поршнем.

Радиальные каналы коронки выполнены наклонно.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ изобретательского уровня показал следующее: из источников патентной документации и научно-технической литературы, нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения. Достигаемый технический результат обусловлен неизвестными свойствами конструктивных элементов ударной гильзы, механизма разрушения и гидравлическими связями устройства, обеспечивающими сочетание ударного и вращательного воздействия на сильно сцементированные участки песчаной пробки и исключающими заклинивание устройства.

Техническое решение явным образом не следует из уровня техники, т.е. соответствует условию "изобретательский уровень".

Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:

на фиг.1 представлен продольный разрез устройства;

на фиг.2 представлен поперечный разрез А-А;

на фиг.3 представлен поперечный разрез Б-Б;

на фиг.4 представлен вид паза кольцевого рабочего поршня;

на фиг.5 представлен вид паза кольцевого гидрораспределительного поршня;

на фиг.6 представлен продольный разрез устройства в момент совмещения циркуляционных отверстий полого корпуса ударной гильзы и симметричных циркуляционных отверстий кольцевого рабочего поршня;

на фиг.7 представлен поперечный разрез Г-Г;

на фиг.8 представлен продольный разрез устройства в момент перемещения кольцевого гидрораспределительного поршня вверх;

на фиг.9 представлен поперечный разрез Д-Д;

на фиг.10 представлен поперечный разрез Е-Е;

на фиг.11 представлен продольный разрез устройства в момент совмещения циркуляционных отверстий полого корпуса ударной гильзы и симметричных циркуляционных отверстий кольцевого гидрораспределительного поршня;

на фиг.12 представлен поперечный разрез Ж-Ж.

Заявляемое устройство содержит переходный модуль, состоящий из переходника 1, жестко соединенного с центратором 2. Центратор 2 имеет внутренний кольцевой выступ 3, под которым симметрично расположены дренажные отверстия 4. Переходный модуль телескопически связан с ударной гильзой, содержащей полый корпус 5. В верхней части полого корпуса 5 установлено внутреннее кольцевое седло 6. В средней части полого корпуса 5 имеются сливные отверстия 7, выше и ниже которых выполнены диаметрально противоположно по два циркуляционных отверстия 8 и 9. Между двумя циркуляционными отверстиями 8 имеется два верхних резьбовых отверстия под упорные стопоры 10, а между двумя циркуляционными отверстиями 9 - два нижних резьбовых отверстия под упорные стопоры 11. В нижней части полый корпус 5 имеет проточку 12 с нижним выступом 13. В верхней части полый корпус 5 жестко соединен с полым центрирующим переводником 14. Полый центрирующий переводник 14 подпружинен возвратной пружиной 15, обеспечивающей подвижность ударной гильзы в осевом направлении. Возвратная пружина 15 закрыта верхним кожухом 16, жестко связанным с полым центрирующим переводником 14. В верхней части полый центрирующий переводник 14 снабжен ограничителем нижнего хода, выполненным в виде гайки 17 и контргайки 18, с возможностью фиксации ударной гильзы на кольцевом выступе 3 центратора 2. В средней части внутренний канал полого центрирующего переводника 14 имеет коническое расширение к низу, образуя рабочую камеру В. В нижней части полый корпус 5 жестко соединен с кожухом 19. Нижний торец кожуха 19 выполнен в виде зубьев 20, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб. В средней части кожух 19 имеет радиальные наклонные отверстия 21. В ударной гильзе коаксиально установлен механизм разрушения, содержащий полый шток 22 с двумя радиальными отверстиями 23. Верхняя часть полого штока 22 выполнена в виде кольцевого рабочего поршня 24 с кольцевой проточкой 25. На полом штоке 22 под кольцевым рабочим поршнем 24 установлен гидрораспределительный узел. Гидрораспределительный узел содержит стакан 26 и кольцевой гидрораспределительный поршень 27, подпружиненные между собой пружиной 28, с возможностью образования гидравлической связи со сливными отверстиями 7 полого корпуса 5 ударной гильзы. Нижний торец кольцевого гидрораспределительного поршня 27 имеет кольцевую проточку 29. На внешних боковых поверхностях кольцевого рабочего поршня 24 и кольцевого гидрораспределительного поршня 27, на уровне верхних резьбовых отверстий под упорные стопоры 10 и нижних резьбовых отверстий под упорные стопоры 11 полого корпуса 5 ударной гильзы, симметрично относительно оси устройства расположены по два фигурных паза 30 и 31, выполненные в форме параллелограмма. Концы упорных стопоров 10 зацеплены в нижнем остром углу параллелограмма фигурных пазов 30, а концы упорных стопоров 11 - в верхнем остром углу параллелограмма фигурных пазов 31. Фигурные пазы 31 являются зеркальным отображением фигурных пазов 30 относительно плоскости, перпендикулярной оси устройства. Между фигурными пазами 30 и 31 расположены по два симметричных циркуляционных отверстия 32 и 33 соответственно. Симметричные циркуляционные отверстия 32 кольцевого рабочего поршня 24 имеют возможность образования гидравлической связи с кольцевой проточкой 25 последнего и двумя циркуляционными отверстиями 8 полого корпуса 5 ударной гильзы. Симметричные циркуляционные отверстия 33 кольцевого гидрораспределительного поршня 27 имеют возможность образования гидравлической связи с кольцевой проточкой 29 последнего, двумя радиальными отверстиями 23 полого штока 22 и двумя циркуляционными отверстиями 9 полого корпуса 5 ударной гильзы. Над кольцевым рабочим поршнем 24, в рабочей камере В полого центрирующего переводника 14, установлен клапанный узел. Клапанный узел содержит сердечник 34, в верхней части которого установлен клапан 35, подпружиненный пружиной 36 и зафиксированный компенсирующим кольцом 37 и регулирующей гайкой 38. Нижний конец сердечника 34 жестко соединен с кольцевым рабочим поршнем 24. В нижней части полый шток 22 жестко связан с коронкой 39. Нижняя часть коронки 39 снабжена торцовыми зубьями 40 и имеет радиальные наклонные каналы 41. Переходный модуль, ударная гильза и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал 42.

Устройство работает следующим образом.

При разрушении песчаной пробки устройство через переходник 1 подсоединяют к нижнему концу колонны колтюбинговых труб и спускают в скважину на глубину образования песчаной пробки до контакта торцовых зубьев 20 кожуха 19 с поверхностью пробки (фиг.1). В колонну колтюбинговых труб подают рабочий агент под расчетным, избыточным давлением. Часть рабочего агента проходит по общему осевому гидравлическому каналу 42 и через радиальные наклонные каналы 41 воздействует на поверхность песчаной пробки по принципу гидромониторного эффекта струи жидкости. Другая часть расхода рабочего агента заполняет рабочую камеру В полого центрирующего переводника 14 ударной гильзы и по мере нарастания в ней давления воздействует на кольцевой рабочий поршень 24 клапанного узла и коническую поверхность полого центрирующего переводника 14 ударной гильзы. При этом кольцевой рабочий поршень 24 с клапанным узлом перемещается вниз и коронка 39 ударяет по песчаной пробке. Если сила удара по сцементированной песчаной пробке не позволяет механизму разрушения опуститься до посадки клапана 35 во внутреннее кольцевое седло 6, коронка 39 упирается в сцементированную песчаную пробку, после чего давление воздействует на внутреннюю коническую поверхность полого центрирующего переводника 14, заставляя ударную гильзу двигаться вверх до упора центратора 2 в полый центрирующий переводник 14. При движении ударной гильзы вверх пластовая жидкость через дренажные отверстия 4 и сливные отверстия 7 выходит в межтрубное пространство, предотвращая заклинивание устройства в процессе работы. Одновременно с ударной гильзой движется вверх внутреннее кольцевое седло 6 и клапан 35 садится в него, в результате чего перекрывается гидравлическая связь между полостью, образовавшейся над кольцевым рабочим поршнем 24 и рабочей камерой В (фиг.6). При этом весь поток рабочего агента направляется в осевой канал механизма разрушения и далее по радиальным наклонным каналам 41 коронки 39 воздействует на песчаную пробку. По мере движения ударной гильзы вверх до упора упорные стопоры 10 скользят по фигурным пазам 30, расположенным на внешней боковой поверхности кольцевого рабочего поршня 24 (фиг.4), а упорные стопоры 11 поднимаются вверх вместе с кольцевым гидрораспределительным поршнем 27, сжимая пружину 28. В момент прохождения изгиба и перехода упорных стопоров 10 в крайнее верхнее положение механизм разрушения поворачивается, поворачивая коронку 39, в результате чего происходит вращательное воздействие на песчаную пробку. При этом циркуляционные отверстия 8 полого корпуса 5 ударной гильзы и симметричные циркуляционные отверстия 32 кольцевого рабочего поршня 24 совмещаются (фиг.7), образуя гидравлическую связь полости над кольцевым рабочим поршнем 24 с межтрубным пространством, в результате чего происходит сброс избыточного давления из полости над кольцевым рабочим поршнем 24. В этот момент совмещаются также радиальные отверстия 23 в полом штоке 22 с проточкой 12 в нижней части полого корпуса 5, образуя гидравлическую связь кольцевой проточки 29 кольцевого гидрораспределительного поршня 27 и общего осевого гидравлического канала 42. По образовавшейся гидравлической связи избыточное давление рабочего агента из общего осевого гидравлического канала 42 подается под кольцевой гидрораспределительный поршень 27, в результате чего последний начинает перемещаться вверх, толкая при этом стакан 26, а тот в свою очередь кольцевой рабочий поршень 24. При этом перемещается вверх сердечник 34 с компенсирующим кольцом 37 и регулирующей гайкой 38, а клапан 35 остается во внутреннем кольцевом седле 6 (фиг.8). В результате сброса давления из полости над кольцевым рабочим поршнем 24 и образования полости с избыточным давлением под кольцевым гидрораспределительным поршнем 27 ударная гильза с помощью возвратной пружины 15 движется вниз, совершая при этом разрушающее механическое воздействие (удар) на песчаную пробку. При движении гильзы вниз упорные стопоры 11 скользят по фигурным пазам 31 (фиг.5), а упорные стопоры 10 скользят по фигурным пазам 30. В момент прохождения изгиба и перехода упорных стопоров 10 в крайнее нижнее положение механизм разрушения поворачивается в обратную сторону, занимая первоначальное положение и нарушая гидравлическую связь кольцевой проточки 25 с межтрубным пространством. Одновременно с этим, в момент прохождения изгиба и перехода упорных стопоров 11 в крайнее нижнее положение, кольцевой гидрораспределительный поршень 27 также поворачивается. При этом циркуляционные отверстия 9 полого корпуса 5 ударной гильзы и симметричные отверстия 33 кольцевого гидрораспределительного поршня 27 совмещаются, образуя гидравлическую связь кольцевой проточки 29 с межтрубным пространством (фиг.12). В тот момент, когда кольцевой рабочий поршень 24 достигает крайнего верхнего положения и упирается во внутреннее кольцевое седло 6, клапан 35 с помощью пружины 36 отбрасывается вверх и возвращается в исходное состояние (фиг.11). В таком положении устройство готово к очередному циклу и процесс повторяется.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "промышленная применимость".

Предлагаемое изобретение соответствует условию патентоспособности, так как является новым, имеет изобретательский уровень и промышленно применимо.

Устройство для очистки скважины от песчаной пробки, содержащее переходный модуль, включающий переходник, ударную гильзу, включающую полый корпус со сливными отверстиями, жестко соединенный в нижней части с кожухом, снабженным торцовыми зубьями, внутренняя поверхность которых выполнена с уклоном, образуя раструб, и механизм разрушения, коаксиально установленный в гильзе, включающий полый шток с двумя радиальными отверстиями, в верхней части выполненный в виде кольцевого рабочего поршня, переходящий в клапанный узел, а в нижней - жестко соединенный с коронкой, снабженной торцовыми зубьями и имеющей радиальные каналы, при этом переходный модуль, ударная гильза и механизм разрушения имеют общий осевой гидравлический канал, отличающееся тем, что переходный модуль дополнительно содержит центратор, жестко соединенный в верхней части с переходником и имеющий внутренний кольцевой выступ с симметрично расположенными под ним дренажными отверстиями, при этом переходный модуль телескопически связан с ударной гильзой через подпружиненный полый центрирующий переводник, в верхней части содержащий ограничитель нижнего хода, в средней части имеющий коническое расширение к низу внутреннего канала с образованием рабочей камеры, а в нижней части жестко соединенный с полым корпусом ударной гильзы, при этом верхняя часть последнего содержит внутреннее кольцевое седло, нижняя имеет проточку с нижним выступом, а сливные отверстия выполнены в средней части полого корпуса ударной гильзы, причем выше и ниже сливных отверстий полый корпус ударной гильзы имеет расположенные диаметрально противоположно по два циркуляционных отверстия и между ними по два верхних и нижних резьбовых отверстия под упорные стопоры, при этом кожух ударной гильзы в средней части имеет радиальные наклонные отверстия, а кольцевой рабочий поршень механизма разрушения имеет в верхнем торце кольцевую проточку, причем механизм разрушения дополнительно содержит расположенный на штоке под кольцевым рабочим поршнем гидрораспределительный узел, состоящий из стакана и кольцевого гидрораспределительного поршня, подпружиненных между собой с возможностью образования гидравлической связи со сливными отверстиями полого корпуса ударной гильзы, причем нижний торец кольцевого гидрораспределительного поршня имеет кольцевую проточку, при этом на внешних боковых поверхностях кольцевого рабочего поршня и кольцевого гидрораспределительного поршня механизма разрушения на уровне верхних и нижних резьбовых отверстий под упорные стопоры соответственно полого корпуса ударной гильзы симметрично относительно оси устройства расположены по два фигурных паза в форме параллелограмма, выполненные в зеркально отображенном положении относительно плоскости, перпендикулярной оси устройства, обеспечивающие зацепы концов упорных стопоров в нижнем остром углу параллелограмма фигурных пазов на кольцевом рабочем поршне и в верхнем остром углу параллелограмма фигурных пазов на кольцевом гидрораспределительном поршне, а между фигурными пазами расположены по два симметричных циркуляционных отверстия, при этом симметричные циркуляционные отверстия кольцевого рабочего поршня имеют возможность образования гидравлической связи с кольцевой проточкой в верхнем торце последнего и двумя циркуляционными отверстиями полого корпуса ударной гильзы, а симметричные циркуляционные отверстия кольцевого гидрораспределительного поршня - с кольцевой проточкой в нижнем торце последнего, двумя радиальными отверстиями полого штока и двумя циркуляционными отверстиями полого корпуса ударной гильзы, причем клапанный узел расположен в рабочей камере полого центрирующего переводника ударной гильзы и выполнен в виде сердечника с установленным на нем в верхней части подпружиненным клапаном, зафиксированным компенсирующим кольцом и регулировочной гайкой, при этом сердечник в нижней части жестко соединен с кольцевым рабочим поршнем, а радиальные каналы коронки выполнены наклонно.