Противополетный якорь

Техническое решение относится к нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для предотвращения падения подземного оборудования, в частности электроцентробежных насосов (ЭЦН), на забой скважины.

Известно противополетное устройство (патент РФ №2175048, МПК Е21В 23/00, опубликован 20.10.2001), содержащее ствол, на котором установлен заякоривающий механизм. На стволе ниже конуса выполнены симметричные фигурные пазы для задания движения заякоривающему механизму при переводе его только из транспортного положения в рабочее. Заякоривающий механизм состоит из корпуса, расположенного на стволе с возможностью осевого перемещения, установленных равномерно по окружности корпуса и подпружиненных относительно его пружинами захватов двойного действия. 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.

Общими признаками известного устройства с заявленным техническим решением является наличие ствола, на который установлен конус и заякоривающий механизм, а также наличие корпуса заякоривающего механизма и захватов (раздвижные плашки).

Недостатками известного противополетного устройства являются низкая надежность механического перевода противополетного устройства из транспортного положения в рабочее, отсутствие промежуточного взведенного положения устройства между транспортным и рабочим состоянием, что снижает надежность и эффективность эксплуатации противополетного устройства. При этом ствол конструкции минимально подвижен, что приводит к его деформации, аварийным изгибам, быстрому износу и в целом к снижению эксплуатационной надежности.

Известно устройство для предупреждения отворота и падения подземного оборудования на забой скважины (патент РФ №2196870, МПК Е21В 23/01, опубликован 20.01.2003). Устройство содержит присоединенный снизу к подземному оборудованию ствол с конусом. На стволе размещен корпус с равномерно расположенными в нем по его окружности радиально раздвигающимися плашками. По наружной поверхности верхней части плашек выполнены различные профили насечек. Плашки с поперечной насечкой чередуются или с плашками с продольной насечкой, или с плашками с совмещенной насечкой. Ствол снабжен пазом для перемещения корпуса по стволу с помощью регулируемого элемента, расположенного в корпусе.

Общими признаками известного устройства с заявленным техническим решением является наличие ствола, с размещенным на нем конусом, корпуса и подпружиненных плашек.

Недостатками известного устройства являются сложность и ненадежность перевода устройства в рабочее положение, отсутствие промежуточного взведенного состояния устройства, а также минимальная подвижность ствола, что приводит к снижению эксплуатационной надежности конструкции.

Известен якорь противополетный (патент РФ №2654088, МПК Е21В 23/00, Е21В 33/129, опубликован 16.05.2018), содержащий центральную трубу, на которую надета опорная втулка с кольцевым буртиком, пружину и конусообразный поршень, состыкованный с втулкой. Пружина расположена вокруг втулки и верхней части поршня, при этом ее верхний конец опирается на буртик втулки, а нижний - на выступ поршня. На нижней части поршня расположены раздвигаемые плашки, которые закреплены на втулке, насаженной на трубу, и частично перекрыты кожухом. Кожух с помощью срезных винтов закреплен на втулке.

Общими признаками данного якоря с заявленным противополетным устройством является наличие трубы (ствол), раздвигаемых (раздвижных) плашек, растворяемого элемента, кожуха (корпуса) удерживающего раздвигаемые плашки.

Известный якорь противополетный приводится в рабочее положение до момента срыва оборудования. После спуска оборудования и растворения фиксирующих элементов происходит активация якоря и упирание плашек в стенки обсадной колонны.

Одним из недостатков якоря известной конструкции является недостаточная надежность эксплуатации, связанная с отсутствием промежуточного взведенного положения устройства, что влияет на надежность быстрого срабатывания и удержания оборудования. Кроме того, недостатком устройства является жесткая фиксация центральной трубы (ствола), что приводит к снижению качества эксплуатации, т.к. при работе насосной установки возникают осевые направленные вверх и вниз перемещения труб (ствола), связанные с изменением термобарических условий в скважине. При использовании якоря по патенту РФ №2654088 продвижение центральной трубы может привести к срезу винтов, влияющих на срабатывание заякоривающего механизма и переводу якоря в транспортное положение. После чего повторный перевод в рабочее положение невозможен, что влечет за собой потерю функции якоря противополетного. Наличие жесткой связи якоря через плашки с обсадной колонной до момента обрыва приводит к дополнительным нагрузкам на механическую стабильность центральной трубы и на расположенную выше насосную установку и ее износу.

Заявленное устройство направлено на обеспечение повышения эксплуатационной надежности подземного оборудования, в частности насосов, и защите его от падения. Устройство обеспечивает сохранение механической стабильности подземного оборудования и предотвращение их повреждений при изменении продольных размеров, при одновременном повышении надежности перевода противополетного устройства из транспортного в рабочее состояние.

Сохранение механической стабильности элементов устройства и предотвращение их повреждений при изменении продольных размеров обеспечивается подвижностью частей устройства в скважине в результате изменения продольного размера, в частности ствола. Возможность движения ствола относительно заякоривающего механизма обеспечивается созданием промежуточного (взведенного) положения устройства между транспортным и рабочим состояниями (после срабатывания). Переход из транспортного состояния во взведенное происходит при растворении растворяемого элемента, например более чем на 80% массы. При этом подпружиненные планки упираются в стены скважины и удерживают заякоривающий механизм.

Указанный технический результат достигается за счет того, что противополетное устройство содержит ствол, на котором установлены конус и заякоривающий механизм, расположенный ниже конуса и состоящий по меньшей мере из раздвижных плашек, удерживающего их корпуса и радиально расположенных подпружиненных планок, находящихся в зацеплении с корпусом, при этом заякоривающий механизм удерживается на стволе с помощью по меньшей мере одного растворяемого элемента, установленного в отверстие ствола.

Под растворяемым элементом понимается элемент, который выбирается исходя из его растворимости на определенный процент по массе в предполагаемом флюиде в течение заданного времени. Например, может быть использован штифт из алюминиевого сплава, растворяемый в 4-х% растворе хлорида натрия и хлорида калия в течение 72 часов с потерей массы более 80%. При такой потере массы элемент перестает выполнять удерживающую функцию.

Под расположением одних элементов конструкции ниже других понимается их размещение в направлении, по которому осуществляется спуск устройства.

Разделение основных элементов заякоривающего устройства (раздвижных плашек, корпуса и подпружиненных планок), которые при этом находятся во взаимном контакте, обеспечивает одновременное удержание устройства в скважине и возможность движения ствола при его термобарической деформации.

В соответствии с настоящим техническим решением заякоривающий механизм может содержать втулку, установленную в нем с возможностью вращения, при этом заякоривающий механизм удерживается на стволе с помощью по меньшей мере одного растворяемого элемента, установленного в отверстие ствола и сквозное отверстие указанной втулки. В данном варианте устройства исключается дополнительные нагрузки на подземное оборудование при спуске и эксплуатации благодаря обеспечению вращательной подвижности ствола противополетного устройства в заякоривающем механизме, скользящем по обсадной колонне, тем самым дополнительно повышается надежность работы устройства и уменьшается износ скважинной насосной установки.

Заякоривающий механизм может содержать кожух, закрывающий от прямого воздействия по меньшей мере втулку, растворяемый элемент и нижний участок корпуса. Кожух обеспечивает дополнительную защиту элементов от внешних воздействий.

В качестве альтернативного варианта выполнения заякоривающий механизм может дополнительно содержать охватывающее ствол пружинное кольцо, которое заглублено в нижнюю часть втулки, при этом на стволе ниже пружинного кольца выполнена по меньшей мере одна кольцевая проточка. При подъеме ствола, на котором выполнена кольцевая проточка, соединение пружинного кольца и кольцевой проточки обеспечивает фиксацию заякоривающего механизма на стволе, т.е возврат противополетного устройства в транспортное положение с целью извлечения насосного оборудования из скважины. Причем пружинное кольцо может быть выполнено из стали или других материалов.

Для лучшего контакта по меньшей мере одного растворяемого элемента с пластовой жидкостью на внешней стороне втулки может быть выполнен продольный паз, проходящий через место установки растворяемого элемента. Кроме того, с той же целью в кожухе заякоривающего механизма может быть выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие.

В устройстве растворяемый элемент может быть выполнен в виде растворяемого штифта, кольца, стержня, шпонки и т.п. При этом отверстие в стволе может быть выполнено в форме паза, прорези или иметь другую форму, соответствующую растворяемому элементу.

В заявленном техническом решении раздвижные плашки могут быть поджаты к стволу пружинами. Это дополнительно обеспечивает защиту устройства от раскрытия раздвижных плашек при его спуске и амортизацию при падении на них конуса в случае срыва подземного оборудования.

С целью увеличения площади контакта внешней поверхности планок со стенками обсадной колонны (скважины) радиальные боковые поверхности планок могут быть выполнены вытянутыми вдоль ствола. Это усиливает надежность фиксации заякоривающего механизма в скважине после растворения растворяемого элемента.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения настоящего изобретения противополетное устройство может содержать узел защиты от присыпания, который установлен на стволе выше конуса и состоит из опорной втулки, на которую установлена манжета с опорой.

Узел защиты от присыпания предназначен для предотвращения засыпания механическими примесями нижерасположенных частей устройства и предотвращения заклинивания противополетного устройства при срыве, при этом дополнительно обеспечивается повышение надежности его работы.

Опора узла защиты от присыпания может быть зафиксирована на опорной втулке с помощью срезных винтов, установленных в отверстиях опоры и радиальной канавке опорной втулки.

Кроме того, узел защиты может содержать шпонку, огибающую опорную втулку и установленную во внутреннем продольном пазу манжеты с опорой и наружном продольном пазу опорной втулки.

На внешней стороне опорной втулки может быть выполнен по меньшей мере один паз.

Манжета узла защиты может быть выполнена из эластичного материала, например резины или полимерного материала.

Все вышеуказанные варианты исполнения настоящего технического решения могут сочетаться между собой и в других вариантах исполнения заявленного изобретения.

Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема противополетного устройства в транспортном положении, на фиг. 2 изображен участок А на фиг. 1, на фиг. 3 - разрез Б-Б на фиг. 1.

На фигурах обозначены:

1 - ствол;

2 - конус;

3 - раздвижные плашки;

4 - корпус;

5 - подпружиненные планки;

6 - пружины планок;

7 - растворяемый элемент;

8 - втулка;

9 - кожух;

10 - пружинное кольцо;

11 - кольцевая проточка;

12 - паз втулки;

13 - отверстие кожуха;

14 - пружина плашки;

15 - опорная втулка;

16 - манжета;

17 - опора;

18 - срезные винты;

19 - радиальная канавка;

20 - шпонка;

21 - паз опорной втулки.

Противополетное устройство (фиг. 1, 2) содержит ствол 1, на котором установлены конус 2 и заякоривающий механизм, расположенный ниже конуса 2 и состоящий по меньшей мере из раздвижных плашек 3, удерживающего их корпуса 4 и радиально расположенных подпружиненных планок 5, находящихся в зацеплении с корпусом 4. Планки 5 могут быть подпружинены с помощью пружин 6. При этом заякоривающий механизм удерживается на стволе с помощью по меньшей мере одного растворяемого элемента 7, установленного в отверстие ствола 1.

Заякоривающий механизм может содержать втулку 8, установленную в нем с возможностью вращения, при этом заякоривающий механизм удерживается на стволе с помощью по меньшей мере одного растворяемого элемента 7, установленного в отверстие ствола 1 и сквозное отверстие указанной втулки 8.

Заякоривающий механизм от внешних воздействий может быть частично закрыт кожухом 9. Кожух 9 закрывает по меньшей мере растворяемый элемент 7, втулку 8 и нижний участок корпуса 4.

Заякоривающий механизм может содержать охватывающее ствол 1 пружинное кольцо 10, которое заглублено в нижнюю часть втулки 8, при этом на стволе 1 ниже пружинного кольца 10 может быть выполнена по меньшей мере одна кольцевая проточка 11 для обеспечения фиксации противополетного устройства в транспортном положении с целью извлечения насосного оборудования из скважины.

На внешней стороне втулки 8 заякоривающего механизма может быть выполнен продольный паз 12, проходящий через место установки растворяемого элемента 7 для улучшения контакта по меньшей мере одного растворяемого элемента 7 с пластовой жидкостью.

В кожухе 9 заякоривающего механизма может быть выполнено по меньшей мере одно сквозное отверстие 13 также с целью обеспечения попадания пластовой жидкости в область установки по крайней мере одного растворяемого элемента 7.

Растворяемый элемент 7 может быть выполнен в виде растворяемого штифта, кольца, стержня и т.п.

При этом отверстие в стволе 1 может быть выполнено в форме паза, щели, прорези и т.п.

Раздвижные плашки 3 могут быть поджаты к стволу 1 пружинами 14 двойного действия.

Радиальные боковые поверхности планок 5 могут быть выполнены вытянутыми вдоль ствола 1, за счет чего увеличивается площадь контакта планок 5 со стенками скважины, что дополнительно повышает надежность устройства при работе.

Пружинное кольцо 10 может быть выполнено из стали или эластичного материала, например резины.

Противополетное устройство может содержать узел защиты от присыпания (фиг. 1, фиг. 3), установленный на стволе 1 выше конуса 2 и состоящий из опорной втулки 15, на которую установлена манжета 16 с опорой 17.

Опора 17 узла защиты от присыпания может быть зафиксирована на опорной втулке 15 с помощью срезных винтов 18, установленных в отверстиях опоры 17 и радиальной канавке 19 опорной втулки 15.

Узел защиты от присыпания может содержать шпонку 20, огибающую опорную втулку 15 и установленную во внутреннем продольном пазу манжеты 16 с опорой 17 и наружном продольном пазу опорной втулки 15.

На внешней стороне опорной втулки 15 может быть выполнен по меньшей мере один паз 21.

Манжета 16 узла защиты от присыпания может быть выполнена из эластичного материала, например резины или полимерного материала.

Противополетное устройство работает следующим образом.

Противополетное устройство спускают в транспортном положении вместе с подземным оборудованием, например с насосной установкой на колонне труб, в заданный интервал обсадной колонны скважины. При спуске подпружиненные планки 5 скользят по стенкам скважины и направляют устройство.

При спуске из-за трения планок 5 о стенки скважины на заякоривающий механизм может передаваться вращательный момент. Установка втулки 8 с возможностью вращения, как указано в одном из вариантов исполнения устройства, предотвращает передачу вращающего момента на ствол 1 и подземное оборудование, т.к. заякоривающим механизм имеет возможность вращаться на втулке 8.

После спуска противополетного устройства в скважину, растворяемый элемент 7 в результате взаимодействия с пластовой жидкостью, содержащей хлорид натрия и хлорид калия, начинает растворяться. Растворение по меньшей мере одного установленного растворяемого элемента 7 происходит в течение нескольких суток, в зависимости от выбранного материала и размеров элемента. После растворения растворяемого элемента 7 противополетное устройство переходит во взведенное состояние (предохранительный растворяемый элемент 7 отсутствует, устройство готово к срабатыванию). При этом имеется свободный ход ствола 1 вверх или вниз относительно заякоривающего механизма, который нужен для компенсации температурных и прочих изменений длины колонны труб в скважине, обеспечения механической стабильности подземного оборудования (снижение вибраций и биений).

Если в процессе эксплуатации подземного оборудования, в частности ЭЦН, происходит обрыв (полет) или значительное перемещение колонны труб вниз, ствол 1 с конусом 2 перемещаются вниз относительно заякоривающего механизма, который остается неподвижным относительно обсадной колонны за счет сил трения подпружиненных планок 5 о стенки обсадной колонны. Противополетное устройство переходит из взведенного в рабочее положение (срабатывает). Происходит взаимодействие раздвижных плашек 3 с конусом 2, в результате чего радиально раздвижные плашки 3 зацепляются со стенкой обсадной колонны. Таким образом, предотвращается падение вышерасположенного оборудования на забой скважины.

После окончания рабочего ресурса насосной установки или после срабатывания заякоривающего механизма противополетное устройство можно извлекать из скважины за счет перевода устройства в транспортное положение. Операция осуществляется натяжением колонны труб, при котором ствол 1 перемещается вверх относительно заякоривающего механизма, удерживаемого на стенках обсадной колонны, при этом конус 2 освобождается из-под раздвижных плашек 7, которые под действием пружины 14 возвращаются в транспортное положение. При дальнейшем перемещении ствола 1 вверх пружинное кольцо 10 устанавливается в наружной кольцевой проточке 11 ствола 1, тем самым фиксируя заякоривающий механизм на стволе 1. В результате ствол 1 с заякоривающим механизмом начинают совместно перемещаться вверх.

В случае использования узла защиты от присыпания манжета 16, установленная в верхней части противополетного устройства на опорную втулку 15, предотвращает присыпание устройства механическими примесями во время эксплуатации насосной установки и тем самым исключает заклинивание устройства при срыве.

В случае сильного прихвата и присыпания узла защиты или ее составных частей, при натяжении колонны труб срезаются винты 18, в результате чего опорная втулка 15 с конусом 2, стволом 1 и заякоривающим механизмом перемещаются вверх относительно манжеты 16 с опорой 17. При этом конус 2 освобождается из-под раздвижных плашек 3, таким образом, противополетное устройство приводится в транспортное положение. При дальнейшем перемещении колонны труб вверх конус 2 взаимодействует с опорой 17, и противополетное устройство вместе с узлом защиты от присыпания и выше расположенной установкой извлекают из скважины.

Благодаря наличию шпонки 20, фиксирующей манжету 16 от проворота относительно опорной втулки 15, обеспечивается передача манжете 16 крутящего момента при вращении ствола 1 и предотвращение вращения манжеты 16 в случае аварийного разбуривания противополетного устройства.

Таким образом, за счет наличия ствола, на котором установлены конус 2 и заякоривающий механизм, расположенный ниже конуса 2 и состоящий по меньшей мере из раздвижных плашек 3, удерживающего их корпуса 4 и радиально расположенных подпружиненных планок 5, находящихся в зацеплении с корпусом 4, при этом заякоривающий механизм удерживается на стволе 1 с помощью по меньшей мере одного растворяемого элемента 7, установленного в отверстие ствола, предлагаемое изобретение обеспечивает повышение эксплуатационной надежности подземного оборудования и защиту от падения оборудования, в частности насосов.