Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для опрессовки колонны труб в скважине

Изобретение относится к области добычи нефти и газа, а именно к опрессовке спущенной в скважину колонны насосно-компрессорных труб (НКТ).

Известна установка для исследования скважин, содержащая барабанную лебедку с приводом, проволоку и обводной ролик (см. кн.: Бухаленко Е.И., Вершковой В.В., Джафаров Ш.Т. и др. Нефтепромысловое оборудование. Справочник. - М.: Недра, 1990, С. 286-291).

Недостатком устройства является только обеспечение спуска и подъема инструмента на проволоке.

Известен технологический комплекс для геофизических исследований с помощью гибкого элемента, включающий лубрикатор с обводным роликом, крышкой с центральным сквозным отверстием, снабженным уплотнительным элементом, гибкий элемент, перекинутый через обводной ролик и пропущенный через сквозное отверстие (см. Пат. РФ №2491422, МКП Е21В 47/01, Е21В 23/14, опубл. 27.08.2013, бюл. №24).

Оснащение крышки лубрикатора уплотнительным элементом позволяет герметизировать колонну НКТ и выполнить работы при наличии давления в скважине.

Известно устройство для опрессовки колонны труб, содержащее муфту с седлом, соединенную с низом колонны, запорный орган, ответно выполненный седлу, подъемное устройство, имеющее способность соединения с запорным органом (см. Пат РФ №2312204, МКП Е21В 34/06, Е21В 17/00, опубл. 10.12.2007, бюл. №34).

Недостатками известного устройства является значительная трудоемкость и продолжительность подъема запорного органа после опрессовки, а также невозможность определения негерметичные места трубы.

Известно устройство для опрессовки колонны труб, содержащее запорный орган, снабженный подъемным канатом, посадочную поверхность в нижней части колонны, выполненную ответно запорному органу (см. Полезная модель РФ №29090, МКП Е21В 33/12, опубл. 27.04.2003, бюл. №12), который принят за прототип.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости и продолжительности опрессовки колонны труб с одновременным определением негерметичных мест колонны труб.

Решение технической задачи достигается тем, что в устройстве для опрессовки колонны труб в скважине, содержащем запорный орган, снабженный подъемным канатом и ответно выполненный посадочной поверхности в колонне труб, согласно техническому решению, канат в нижней части снабжен поплавком с центральным сквозным отверстием с возможностью относительного перемещения вдоль каната, в котором ниже поплавка установлен неподвижный упор с возможностью взаимодействия с нижним торцом поплавка, при этом поплавок оснащен приборами и соединен с запорным органом посредством как минимум одной разрывной нитью, при этом длина участка каната между запорным органом и поплавком больше длины нити.

Конструкция устройства для проверки герметичности колонны НКТ в скважине поясняется чертежом.

На фиг. 1 показана общая схема устройства без поплавка;

На фиг. 2 - узел уплотнения каната (проволоки) на устье скважины;

На фиг. 3 - конструкция сборного запорного органа;

На фиг. 4 - общий вид запорного органа с поплавком;

На фиг. 5 - вариант исполнения запорного органа;

На фиг. 6 - вариант исполнения запорного органа обтекаемой формы с конической опорно-уплотнительной поверхностью;

Устройство для проверки герметичности (опрессовки) колонны труб 1 (фиг. 1), например, колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), содержит, например, опрессовочную муфту 2, соединенную резьбовым соединением (на фиг. не указано) с низом колонны труб 1, оснащенную седлом 3, например, с конической опорно-уплотнительной поверхностью 4. Устройство снабжено запорным органом 5, выполненным, например, со сферической опорно-уплотнительной поверхностью, свободно опускаемый и поднимаемый на гибком элементе 6, например, на канате или проволоке по каналу колонны труб 1. Подъемный канат 6 пропущен, например, через центральное сквозное отверстие (на фиг. не указано) крышки 7 (фиг. 2) устья скважины. Крышка 7 снабжена уплотнительным элементом 8 и нажимной гайкой 9. Далее канат 6 огибает обводной шкив 10 и соединен, например, к барабану 11 подъемной лебедки 12.

Запорный орган 5 со сферической опорно-уплотнительной поверхностью содержит, например, шарик 13 (фиг. 3), соединенный с хвостовиком 14, например, посредством резьбового соединения (на фиг. не указано), устройство зажима каната 6, включающий не менее двух сухариков 15, выполненных в виде усеченных конусов и установленных с возможностью ограниченного конической направляющей (на фиг. не указана) хвостовика 14 осевого перемещения, упора 16, выполненного, например, в виде нажимной гайки.

Устройство снабжено также насосом 17 и манометром 18, установленным на выходе насоса.

Колонна труб 1 опущена в эксплуатационную колонну 19.

Для обнаружения мест утечек устройство оснащено поплавком 20 (фиг. 4), выполненным, например, из легкой пластмассы, с центральным сквозным отверстием 21, через которое пропущен канат или проволока 6.

Поплавок 6 насажен на канат 6 с возможностью свободного перемещения вдоль него, и соединен с запорным органом 5, как минимум, посредством одной разрывной нитью или проволоки 22. В нижней части канат 6, ниже поплавка 20, оснащен неподвижным относительно каната 6 упором 23 с возможностью взаимодействия с нижним торцом поплавка 20. При этом длина участка 24 каната 6 между запорным органом 5 и поплавком 20 больше длины разрывной нити 22. Разрывное усилие нити 22 намного меньше разрывного усилия каната 6, и значительно превышает подъемную силу поплавка 20. Поплавок оснащен прибором 25, например, эхолотом, для записи и/или передачи сигнала о наличии утечек и глубины погружения поплавка 20.

Запорный орган 5 (фиг. 5) может быть выполнен как единая деталь.

Запорный орган 5 (фиг. 6) может быть выполнен с конической опорно-уплотнительной поверхностью, а опорно-уплотнительная поверхность 4 седла 3 может быть выполнена в форме тора. Длина запорного органа 5 больше внутреннего диаметра колонны труб 1, например, не менее чем на 30%.

Опрессовка и обнаружение утечек спущенной в скважину колонны НКТ осуществляется следующим образом.

После промывки скважины во внутрь колонны труб 1 (фиг. 1 и 4) опускается запорный орган 5, соединенный с нижним концом каната 6. Канат 6 предварительно пропускают через центральное отверстие в крышке 7 (фиг. 2), уплотнительный элемент 8 и нажимную гайку 9.

Жесткое закрепление каната 6 к запорному органу 5 осуществляется посредством зажимных сухариков 15 (фиг. 3) и упора 16.

Под действием силы тяжести запорный орган 5, и соединенный с ним поплавок 20, преодолевая лобовое сопротивление и перепад давления, вызванный движением жидкости через щель между поверхностями шарика 13 запорного органа 5, поплавка 20 и колонны труб 1, опускаются вниз. Доходя

низа колонны, запорный орган 5 сферической поверхностью сажается на опорно-уплотнительную поверхность 4 седла 3. Продолжительность опускания запорного органа 5 до седла 3 зависит от разности диаметров колонны труб 1 и запорного органа 5, его массы, а также плотности и вязкости жидкости.

С учетом сопротивления перетекаемой через зазор между запорным органом 5 и колонной труб 1, а также лобового сопротивления скорость опускания запорного органа может быть определена по формуле

Скорость опускания запорного органа по НКТ (без учета подъемной силы, действующей на поплавок) определяется по формуле

где ρ, ρж - соответственно плотность материла запорного устройства и жидкости;

m - масса запорного устройства;

g = 10 м/с - ускорение свободного падения;

С - коэффициент лобового сопротивления;

F - наибольшая площадь сечения запорного органа;

F, Fщ - площади прохода колонны труб и щели между запорным устройством и стенкой труб;

ξ - коэффициент местного сопротивления в щели (внезапное сужение и расширение).

При внутреннем диаметре НКТ 50 мм, максимальном диаметре запорного органа 44 мм, массе запорного органа m=1,1 кг, С=0,2, ξ = 1, ρ = 7,85г/см3, ρж = 1 г/см3, скорость опускания запорного органа составляет V=0,9 м/с.

При длине колонны труб 1 Н=1000 м, продолжительность свободного опускания запорного органа 5 составит t=H/V=1000/0,9=1111 с=18,5 мин.

С целью увеличения скорости опускания запорного органа 5, в колонну труб 1 насосом 17 при герметично закрытой крышки 7 может быть подана жидкость.

Определим требуемый объем жидкости для увеличения давления до Р=10 МПа в колонне НКТ внутренним диаметром d=50 мм, длиной Н=1000 м

V=V0P/E=1962xl0/2000=9,8 дм3,

где V0 = 0,785d2H=0,785x0,502xl0000=1962 дм3 - внутренний объем колонны труб;

Е = 2000 МПа - модуль упругости воды.

При использовании извлекаемого запорного органа требуемый объем жидкости для опрессовки при первоначальном полном заполнении жидкостью скважины не превышает 10 дм3 на 1000 м трубы диаметром 50 мм и при повышении давления до 10 МПа. Поэтому для опрессовки колонны труб может использоваться насос малой производительности, вплоть до ручного насоса при условии полного заполнения скважины жидкостью.

Следует сказать, что при неполном заполнении скважины жидкость может подаваться без давления, путем свободной заливки.

После посадки запорного органа 5 на седло 3 уплотняется зазор между канатом 6 и отверстием в крышке 7 (фиг. 2) поджатием уплотнительного элемента 8 гайкой 9. Для подъема давления в полость колонны труб 1 насосом 17 подается жидкость во внутреннюю полость колонны. Давление контролируется манометром 18.

После выдержки колонны труб 1 под давлением, и убедившись в герметичности колонны труб 1, откручивается гайка 7 с возможностью отхода уплотнительного элемента 8 от каната 6.

При помощи лебедки 12 канат 6 наматывается на барабан 11.

При наличии утечек, что определяется падением давления в колонне труб, начинается этап обнаружения мест негерметичности.

Лебедкой 12 (фиг. 1) натягивается канат 6 до касания упора 23 на поплавок 20. Так как длина участка 24 каната 6 между запорным органом 5 и поплавком 20 больше длины разрывной нити (проволок) 22, далее усилие натяжения каната 6 воспринимают нити 22. При диаметре запорного органа 40-50 мм, уже при давлении опрессовки 2 МПа, необходимое усилие отрыва запорного органа 5 от седла 3 составит 2500-3900 Н. Поэтому суммарное разрывное усилие нитей 22 может быть выбрано в пределах 150-200 Н. Указанное усилие намного превышает подъемную силу поплавка 20, не превышающую 10-30 Н.

Далее лебедкой 12 канат 6 натягивается усилием, превышавшим разрывное усилие нитей 22. После разрыва нитей 22 лебедка 12 останавливается, а поплавок с приборами 25 под действием подъемной силы начинает подниматься вверх вдоль каната 6. Места утечек жидкости, сопровождающиеся звуком, фиксируются приборами 25. Поплавок 20, поднимаясь до самого устья скважины, фиксирует все имеющиеся места утечки.

Негерметичные места колонны труб 1 могут быть определены исходя из общей продолжительности подъема поплавка. Учитывая значительную глубину скважин скорость подъема поплавка может быть принята постоянной.

Подъем запорного органа 5 после опрессовки осуществляется лебедкой 12.

Из условия ограничения нагрузки на канат (проволоку), исключения чрезмерного перепада давления в щели между запорным органом 5 и стенкой колонны труб 1, скорость подъема запорного органа может быть принята 4-5 м/с. Тогда продолжительность подъема запорного устройства составит 3-4 мин.

Работа устройства с запорным органом на фиг. 5 аналогична описываемому выше. Выполнение запорного органа обтекаемой формы позволяет существенно увеличить скорость свободного опускания запорного органа 1 по колонне труб 1.

При выполнении запорного органа 4 с конической опорно-уплотнительной поверхностью (фиг. 6), а поверхности 4 седла 3-в форме тора, большей деформации будет подвержен запорный орган 1. Обтекаемая форма запорного органа 5 снижает коэффициенты лобового и местного сопротивления жидкости.

Таким образом, предлагаемое техническое устройство позволяет осуществить опрессовку колонны НКТ быстро извлекаемым запорным органом с одновременным определением негерметичных мест колонны труб.