Результат интеллектуальной деятельности: ПРОТИВОПОЛЕТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА

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, МПК8 Е21В 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, Е21В 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, МПК8 Е21В 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 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 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 может оказаться на забое скважины вместе с электроцентробежным насосом и кабелем, а также замкового устройства, которое может заклинить в скважине и в результате не сработает заякоривающий узел.

Задачей изобретения является повышение надежности работы за счет гарантированного срабатывания заякоривающего узла и исключения заклинивания устройства при срыве устройства с целью его извлечения, а также отсутствия в конструкции устройства срезных элементов и замковых устройств 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 жестко 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, в котором размещен направляющий штифт.

Новым является то, что конус выполнен в виде наружной двухступенчатой кольцевой выборкой, а заякоривающий механизм выполнен в виде подпружиненной наружу цанги с направляющим штифтом, размещенной подвижно на наружной поверхности ствола напротив фигурного паза, при этом продольные короткий и длинный участки фигурного паза соединены между собой замкнутым фигурным участком так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги относительно ствола направляющий штифт будет расположен то в продольном коротком участке фигурного паза - транспортное положение, в котором цанга с одной стороны взаимодействует с нижним торцом нижней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки конуса, а с другой - с внутренними стенками эксплуатационной колонны, то в продольном длинном участке фигурного паза - рабочее положение, при этом цанга с одной стороны взаимодействует с нижним торцом верхней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки конуса, а с другой - с проточкой муфты эксплуатационной колонны, причем амортизирующий элемент выполнен в виде пружины сжатия, а между стволом и верхним переводником установлена, заглушенная снизу шламоклямсоулавливающая камера.

На фиг.1 в продольном разрезе представлено противополетного устройства для электроцентробежного насоса.

На фиг.2 представлена развертка формы и направление фигурного паза.

Противополетное устройство для электроцентробежного насоса содержит верхний 1 (см. фиг.1) и нижний 2 переводники, ствол 3. На стволе 3 в верхней части жестко установлено опорное кольцо 4, а ниже опорного кольца 4 на стволе 3 с возможностью взаимодействия размещены 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 (см. фиг.1 и 2).

Конус 6 (см. фиг.1) выполнен в виде наружной двухступенчатой 9 и 10 кольцевой выборки.

Заякоривающий механизм 7 выполнен в виде подпружиненной наружу цанги 11 с направляющим штифтом 12. Подпружиненная наружу цанга 11 размещена подвижно на наружной поверхности ствола 3, напротив фигурного паза 8.

Продольные короткий 14 (см. фиг.1 и 2) и длинный 13 участки фигурного паза 8 соединены между собой замкнутым фигурным участком 15 так, что при осевом возвратно-поступательном перемещении цанги 11 относительно ствола 3 направляющий штифт 12 будет расположен то в продольном коротком участке 14 фигурного паза 8 - транспортное положение, в котором цанга 11 с одной стороны взаимодействует с нижним торцом нижней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборкой 9 конуса 6, а с другой - с внутренними стенками 16 эксплуатационной колонны 17. Длина - L продольного короткого участка 14 фигурного паза 8 равна удвоенной длине максимального подъема инструмента, например, L=2×0,2 м = 0,4 м при проведении спуско-подъемных операций (подъеме колонны труб при снятии с элеватора = 0,2 м).

То направляющий штифт 12 будет расположен в продольном длинном участке 13 фигурного паза 8 - рабочее положение. Цанга 11 с одной стороны взаимодействует с нижним торцом верхней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки 10 конуса 6, а с другой - с проточкой 19 муфты 18 эксплуатационной колонны 17.

Между стволом 3 и верхним переводником 1 установлена заглушенная снизу шламоклямсоулавливающая камера 20. Конус 6 расположен в наружной кольцевой проточке 21 (см. фиг.1) ствола 3 и взаимодействует с нижним торцом наружной кольцевой проточке 21 стола 3 посредством уступа 22, выполненного на внутренней поверхности конуса 6. Конструктивные размеры пружины сжатия 5: диаметр пружины, диаметр витка, шаг и др., 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 12 (см. фиг.2) должен находиться в верхней части продольного короткого участка 14 фигурного паза 8, при этом заякоривающий механизм 7, выполненный в виде подпружиненной наружу цанги 11 (см. фиг.1), находится в транспортном положении и должен удерживаться в этом положении вручную, вплоть до начала входа устройства в эксплуатационную 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) (на фиг.1 и 2). В процессе спуска устройства в составе колонны труб с ЭЦН в эксплуатационную колонну 17 скважины подпружиненная наружу цанга 11 находится в транспортном положении (см. фиг.1), т.е. с одной стороны взаимодействует с нижним торцом нижней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборкой 9 конуса 6, а с другой - с внутренними стенками 16 эксплуатационной колонны 17, при этом направляющий штифт 12 расположен в продольном коротком участке 14 фигурного паза 8.

За 10-15 метров до интервала посадки устройства спуск колонны НКТ приостанавливают и производят геофизическое исследование по определению места нахождения ближайшей муфты 18 эксплуатационной колонны 17, например с помошью локатора муфт. Определившись с интервалом размещения муфты 18 в эксплуатационной колонне 1, доспускают колонну НКТ с ЭЦН и предлагаемым устройством, так чтобы заякоривающий узел 7, выполненный в виде подпружиненной наружи цанги, попал в проточку 19 муфты 18 эксплуатационной колонны. Далее противополетное устройство переводят из транспортного положения в рабочее, т.е. производят посадку устройства в заданном интервале эксплуатационной колонны 17 скважины.

Для этого с устья (на фиг.1 и 2 не показано) скважины приподнимают колонну НКТ примерно на 1 метр и опускают, в результате проделанной операции направляющий штифт 12 (см. фиг.2) при подъеме перемещается из верхней части продольного короткого участка 14 в его нижнюю часть и далее через замкнутый фигурный участок 15 - в нижнюю часть осевого длинного участка 13 фигурного паза 8, а затем при последующем спуске колонны НКТ направляющий штифт 12 перемещается из нижней части продольного длинного участка 13 фигурного паза 8 в его верхнюю часть. При этом все детали устройства, за исключением деталей 11 и 12 (см. фиг.1), которые остаются неподвижными благодаря контакту наружной поверхности цанги 11, подпружиненной наружу с внутренними стенками эксплуатационной колонны 17 скважины, перемещаются относительно деталей 11 и 12 сначала вверх, а затем вниз.

После попадания направляющего штифта 12 (см. фиг.1 и 2) в верхнюю часть продольного длинного участка 13 фигурного паза 8 устройство занимает рабочее положение, при этом цанга 11 с одной стороны взаимодействует с нижним торцом верхней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки 10 конуса 6, а с другой - с проточкой 19 муфты 18 эксплуатационной колонны 17.

В процессе работы ЭЦН возможны отрыв клямс, крепящих электрокабель к колонне труб, а также оседание шлама. Для этих целей предусмотрена шламоклямсоулавливающая камера 20 (см. фиг.1), заглушенная снизу, которая улавливает шлам и клямсы, которые впоследствии извлекаются вместе с устройством. В качестве шламоклямсоулавливающей камеры 20, например, можно использовать одну насосно-компрессорную трубу диаметром 89 мм.

В случае обрыва колонны НКТ с ЭЦН на предлагаемое устройство срабатывает амортизирующий узел, выполненный в виде пружины 5, при этом благодаря тому, что конус 6 расположен в наружной кольцевой проточке 21 (см. фиг.1) ствола 3 и взаимодействует с нижним торцом наружной кольцевой проточке 21 стола 3 посредством уступа 22, выполненного на внутренней поверхности конуса 6, происходит гашение усилия падения ЭЦН на устройство, при этом исключается повреждение ЭЦН.

Конус 6 нижним торцом верхней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборки 10 дожимает зубья подпружиненной наружу цанги 11 к проточке 19 муфты 18 эксплуатационной колонны 17 внутренним стенкам обсадной колонны, а ствол 3 сначала при сжатии пружины 5 перемещается вниз относительно конуса 6, при обратном ходе вверх пружины 5 ствол 3 возвращается в исходное положение относительно конуса 6.

При необходимости, например, в случае обрыва колонны труб с ЭЦН, предложенное устройство извлекается вместе с оборванной колонны труб и ЭЦН.

Для этого спускают в скважину ловитель на трубах (на фиг.1 и 2 не показано) любой известной конструкции, например, с внутренним захватом. Достигнув интервала обрыва колонны НКТ ловитель попадает внутрь верхней трубы (на фиг.1 и 2 не показано), где фиксируется на ее внутренней поверхности.

После чего с устья скважины посредством колонны труб всю компановку поднимают вверх примерно на 1 метр и опускают, при этом сначала направляющий штифт 12, перемещается относительно движущегося вверх ствола 1 из верхней части продольного длинного участка 13 фигурного паза 8 (см. фиг.2) в замкнутый фигурный участок 15, а затем при спуске перемещается из замкнутого фигурного участка 15 в верхнюю часть продольного короткого участка 14 фигурного паза 8, переводя устройство из рабочего положения в транспортное. При этом все детали устройства за исключением деталей 11 и 12 (см. фиг.1 и 2), которые остаются неподвижными благодаря контакту наружной поверхности зубье цанги 11 с проточкой 19 муфты 18 эксплуатационной колонны 17 перемещаются относительно деталей 11 и 12 сначала вверх, а затем вниз, при этом цанга 11 занимает транспортное положение, в котором она с одной стороны взаимодействует с нижним торцом нижней ступени наружной ступенчатой кольцевой выборкой 9 конуса 6, а с другой - с внутренними стенками 16 эксплуатационной колонны 17. После чего устройство вместе с оборванной колонной труб и ЭЦН извлекается на поверхность.

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 оторвавшиеся 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.