Устройство для очистки забоя вертикальной скважины

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для очистки забоя от песчаных и гипсовых пробок при текущем ремонте вертикальной скважины.

Известно устройство для очистки забоя скважины от песчаных пробок (Лаврушко П.Н. Подземный ремонт скважины. М.: - Недра, 1968, С. 281-282, рис. 149), которое состоит из полого корпуса с направляющей втулкой в его верхней части, поршня со штоком, установленного на нижнем конце корпуса приемного клапана и размещенной на штоке пружины. Для разрыхления песчаных пробок на конце устройства предусмотрен дополнительный инструмент-разрыхлитель, выполненный, например, в виде пики с конусной головкой, под которую в нижней части корпуса выполнено посадочное седло. В теле поршня устройства выполнены продольные перепускные каналы для перетока жидкости из нижней части устройства (из-под поршня) в верхнюю часть. С верхнего торца поршня свободно на штоке установлена крышка для перекрытия каналов в поршне, а для амортизации при ходе штока в крайнее верхнее и крайнее нижнее положения на штоке установлены пружины в свободном (ненагруженном) состоянии: одна - вне корпуса и другая - в корпусе. На верхнем конце устройства имеется проушина для крепления тартального каната, на котором это устройство спускается в скважину для работы и поднимается на поверхность.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (полого корпуса, втулки, поршня со штоком и т.д.);

- во-вторых, снижение надежности работы устройства из-за наличия пружин, а также продольных перепускных каналов в теле поршня и крышки для их перекрытия вследствие засорения песком, что не обеспечивает герметичность при эксплуатации;

- в-третьих, низкая эффективность очистки забоя с помощью тартального каната ввиду небольших нагрузок, создаваемых им на забой скважины.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для очистки забоя скважины (патент РФ №57343, МПК Е21В 27/00, опубл. 10.10.2006 г, бюл. №28), включающее полый корпус с направляющей втулкой в его верхней части, герметично заведенный с возможностью осевого перемещения вниз через направляющую втулку внутрь корпуса полый заглушенный с нижнего торца плунжер, оснащенный в боковых стенках заведенными внутрь полого корпуса радиальными сквозными отверстиями, приемный клапан, при этом между полым корпусом и приемным клапаном установлен штуцер с регулируемым проходным диаметром, причем под приемным клапаном установлен патрубок со скошенным нижним концом, при этом в транспортном положении плунжер зафиксирован относительно направляющей втулки полого корпуса срезным элементом.

Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, низкая эффективность очистки твердого забоя (гипса, песка), так как перед очисткой забоя скважины патрубок своим скошенным нижним концом упирается в очищаемый забой и если забой «твердый», то его весьма трудно разрыхлить, что очень резко снижает поступление внутрь полого корпуса песка, гипса, шлама, грязи с забоя скважины;

- во-вторых, низкая надежность работы, обусловленная тем, что при интенсивном подъеме размытого шлама, гипса, песка пропускная способность регулируемого штуцера может оказаться недостаточной для стабильной работы устройства, т.е. происходит запирание потока под регулируемым штуцером внутри устройства и, как следствие, отказ устройства в работе;

- в-третьих, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей (полого корпуса, втулки, плунжера, штуцера и т.д.);

- в-четвертых, высокая вероятность прихвата колонны труб, вымываемым с забоя скважины песком и/или гипсом;

Техническими задачами изобретения являются повышение эффективности очистки забоя скважины и надежности работы устройства, а также упрощение конструкции устройства и исключение прихвата колонны труб при вымывании с забоя скважины песка и/или гипса.

Указанные технические задачи решаются предлагаемым устройством для очистки забоя вертикальной скважины, включающим полый корпус с направляющей втулкой в его верхней части.

Новым является то, что направляющая втулка снизу жестко соединена с винтовым валом, при этом на винтовом валу размещена ведомая гайка, оснащенная боковыми отверстиями и жестко соединенная снизу с фрезой-рыхлителем, причем при движении винтового вала вниз его поступательное перемещение преобразуется во вращательное движение ведомой гайки, которое передается фрезе-рыхлителю, при этом полый корпус снизу оснащен зубцами, расположенными выше нижнего конца фрезы-рыхлителя, причем снаружи полый корпус снабжен самоуплотняющейся манжетой, пропускающей снизу вверх, и радиальными отверстиями, выполненными выше самоуплотняющейся манжеты и сообщающимися с боковыми отверстиями ведомой гайки, причем винтовой вал внутри оснащен каналом, сообщающим боковые отверстия ведомой гайки с внутренним пространством колонны труб, присоединенной к верхнему концу направляющей втулки.

На фиг. 1 и 2 схематично изображено предлагаемое устройство в продольном разрезе в процессе работы.

Устройство состоит из полого корпуса 1 с направляющей втулкой 2 в верхней его части. Направляющая втулка 2 снизу жестко соединена с винтовым валом 3, например, с помощью сварки.

На винтовом валу 3 размещена ведомая гайка 4, оснащенная боковыми отверстиями 5 и жестко соединенная снизу с фрезой-рыхлителем 6.

При движении винтового вала 3 вниз его поступательное перемещение преобразуется во вращательное движение ведомой гайки 4, которое передается фрезе-рыхлителю 6.

Полый корпус 1 снизу оснащен зубцами (на фиг. 1 и 2 показаны условно), выполненными под конус для фиксации полого корпуса 1 от вращения в процессе проведения работ и расположенными выше нижнего конца фрезы-рыхлителя 6. Снаружи полый корпус 1 снабжен самоуплотняющейся манжетой 7, пропускающей снизу вверх жидкость, твердые частицы.

Полый корпус 1 оснащен радиальными отверстиями 8, выполненными выше самоуплотняющейся манжеты 7 и сообщающимися с боковыми отверстиями 5 ведомой гайки 4.

Винтовой вал 3 внутри оснащен каналом 9, сообщающим боковые отверстия 5 ведомой гайки 4 с внутренним пространством 10 колонны труб 11, к которой присоединен верхний конец направляющей втулки 2.

Полый корпус 1 размещен на направляющей втулке 2 герметично посредством уплотнительных колец (на фиг. 1 и 2 показаны условно) с возможностью осевого перемещения.

Устройство работает следующим образом.

Для очистки забоя скважины 12 (см. фиг. 1), например, от гипсовой пробки 13 к нижнему концу колонны труб 11, например, колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) диаметром 73 мм, крепят направляющую втулку 2 предлагаемого устройства и спускают в скважину до опоры на гипсовую пробку 13.

В процессе спуска предлагаемого устройства на колонне труб 11 находящаяся в скважине 12 жидкость свободно перетекает снизу вверх, так как самоуплотняющаяся манжета 7 пропускает снизу вверх.

Как только фреза-рыхлитель 6 (так как зубцы полого корпуса 1 находятся выше фрезы-рыхлителя 6) упрется в забой (в гипсовую пробку 13) скважины 12, это отразится на показаниях индикатора веса (на фиг. 1 и 2 не показан), установленного на устье скважины 12, что свидетельствует о начале разгрузки устройства.

Колонну труб 11 (см. фиг. 1 и 2) полностью разгружают на гипсовую пробку 13. В результате на винтовой вал 3 воздействуют осевая сила, создаваемая весом колонны труб 11 и передаваемая на винтовой вал 3 через направляющую втулку 2.

Происходит движение винтового вала 3 вниз на длину хода L, при этом поступательное перемещение винтового вала 3 преобразуется во вращательное движение ведомой гайки 4, которое передается фрезе-рыхлителю 6 (см. фиг. 1 и 2). За счет вращения фреза-рыхлитель 6 разрушает сверху часть гипсовой пробки 13, при этом полый корпус 1 (см. фиг. 2) поднимается относительно направляющей втулки 2 на расстояние а. Зубцы полого корпуса 1 упираются в разрушившуюся внутри фрезой-рыхлителем 6 гипсовую пробку 13 (см. фиг. 2).

Во время опускания колонны труб 11 ведомая гайка 4, на конце которой установлена фреза-рыхлитель 6, раскручивается с помощью винтового вала 3, жестко соединенного посредством направляющей втулки 2 с колонной труб 11, поэтому во время опускания колонны труб 11 происходит винтовая передача, преобразующая вращательное движение в поступательное и наоборот.

Далее любым известным насосом (на фиг. 1, 2 не показан) производят закачку технологической жидкости, например сточной воды плотностью 1050 кг/м³, в межколонное пространство 14 (см. фиг. 1 и 2) скважины 12. Под действием давления технологической жидкости в межколонном пространстве 14 самоуплотняющаяся манжета 7 герметично прижимается к внутренним стенкам скважины 12.

Поскольку самоуплотняющаяся манжета 7 герметично прижата к внутренним стенкам скважины 12, технологическая жидкость из межколонного пространства 14 скважины 12 сквозь радиальные отверстия 8 полого корпуса 1 попадает внутрь полого корпуса 1, т.е. в пространство 15 и через боковые отверстия 5 ведомой гайки 4 вместе с разрыхленным фрезой-рыхлителем 6 размытым гипсом начинает поступать через канал 9 винтового вала 3 во внутреннее пространство 10 колонны труб 11 и оттуда на устье скважины в желобную емкость (на фиг. 1 и 2 не показана). Окончание выхода размытого гипса определяют визуально по восстановлению цвета жидкости, выходящей из скважины, и отсутствию частиц гипсовой породы.

Далее перемещением колонны труб 11 (см. фиг. 1 и 2) и, соответственно, направляющей втулки 2 с винтового вала 3 вверх приводят устройство в исходное положение, осуществляя холостой ход, во время которого ведомая гайка 4 за счет силы инерции собственного веса (поскольку из-под фрезы-рыхлителя 6 часть разрыхленной гипсовой пробки вымыта и пространство 15 свободно) опускается (свинчивается) вниз в пространство 15 по винтовому валу 3 до взаимодействия с упором 16 (см. фиг. 1) винтового вала 3, то есть устройство занимает исходное положение.

Устройство надежно в работе, поскольку не имеет ограничений пропускной способности по технологической жидкости и объему вымываемой гипсовой и/или песчаной пробки, как описано в прототипе, кроме того, оптимальная скорость движения винтового вала 3 вверх при холостом ходе (V_x), должна быть равна скорости, с которой гайка опускается вниз, т.е. при рабочем ходе (V_p), например V_x=V_p=0,05 м/с.

Если скорость перемещения винтового вала 3 вверх, т.е. при холостом ходе (V_x) больше скорости перемещения ведомой гайки 4 вниз, т.е. при рабочем ходе (V_p), то ведомая гайка 4 не успевает опуститься до поверхности взаимодействия с упором 16, и поэтому при движении винтового вала 3 в следующем цикле разгрузки часть его хода L будет холостым.

Таким образом, возвратно-поступательное вертикальное перемещение винтового вала 3 за счет взаимодействующей с ним ведомой гайки 4 преобразуется в одностороннее вращательное движение фрезы-рыхлителя 6. Поскольку возврат ведомой гайки 4 по винтовому валу 3 происходит за счет ее силы тяжести, то данная конструкция работает только в вертикальных скважинах.

В дальнейшем циклическими осевыми перемещениями устройства вверх и вниз, сочетая это с подачей технологической жидкости в межколонное пространство 14 скважины 12, которая вымывает частями гипс, разрыхленный фрезой-рыхлителем 6, производят очистку забоя скважины до достижения заданной глубины забоя. После очистки забоя скважины колонну труб 11 вместе с устройством поднимают на поверхность.

Предлагаемое устройство позволяет многократно повысить эффективность очистки скважин от гипсовых и/или песчаных пробок за счет движения фрезы-рыхлителя под действием веса колонны труб, что позволяет сначала разбурить, а затем вымыть с забоя скважины разбуренный гипс и/или песок, при этом производить это циклически (порционно небольшими объемами) без вероятности прихвата колонны труб 11.

Устройство имеет простую конструкцию, поэтому обладает низкой себестоимостью изготовления и может быть изготовлено на базе производственного обслуживания.

Предлагаемое устройство для очистки забоя вертикальной скважины позволяет повысить эффективность очистки забоя скважины и надежность работы устройства, а также упростить конструкцию устройства и исключить прихват колонны труб при вымывании с забоя скважины песка и/или гипса.