Устройство ввода шаров в трубопровод

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, является элементом наземного оборудования скважины и предназначено для ввода шаров во внутреннюю полость насосно-компрессорных труб без сбрасывания давления и перекрытия потока жидкости в трубопроводе, может применяться при гидравлическом разрыве пласта, а также при освоении, эксплуатации, ремонте нефтяных, газовых и газоконденсатных скважин.

Во время гидроразрыва пласта операторы стремятся минимизировать число спускоподъемных операций, которые необходимо выполнять в скважине, не теряя возможности при этом оптимизировать проведение обработки для интенсификации притока и использование буровой установки/оборудования гидроразрыва. Операторы предпочитают использовать систему многоступенчатого гидроразрыва для избирательной обработки для интенсификации притока в несколько стадий в нескольких интервалах или зонах скважины. Обычно системы гидроразрыва данного типа имеют ряд пакеров для необсаженного ствола скважины, установленных вдоль колонны насосно-компрессорных труб для изоляции зон в скважине. Между данными пакерами в системе вставлены втулки гидроразрыва вдоль колонны насосно-компрессорных труб. Данные втулки вначале закрыты, но их можно открывать для обработки примыкающего к стволу скважины интервала пласта для интенсификации притока.

Например, систему спускают в скважину и сбрасывают установочный шар для переключения клапана изоляции ствола скважины для надежной отсечки колонны насосно-компрессорных труб.

Известно устройство для ввода шаров, содержащее корпус с каналом для перемещения шаров и привод для их подачи (см. описание к авторскому свидетельству Российской Федерации №268464, МПК F27D 3/10, F27B 5/12, F27B 7/32, опубл. 04.03.1971 г.).

В качестве привода в известном устройстве используют толкатель, работающий от эксцентрика.

Известное устройство не предназначено для использования в нефтегазодобывающей промышленности для работы в среде, в качестве которой используют нефть, газ, воду, буровой раствор, жидкость глушения, кислотные и щелочные растворы. Известное устройство не предназначено для работы при внутреннем давлении до 70 МПа. Кроме того, конструкция известного устройства не позволяет сбрасывать шары различного диаметра.

Известно устройство, содержащее корпус с каналом для перемещения шаров (см. описание к патенту Российской Федерации на изобретение №2495994, МПК E21B 34/14, E21B 43/26, опубл. 20.10.2013 г.).

Известное устройство относится к подземному оборудованию. Устройство содержит механизм для удержания шара, размещенный непосредственно во внутренней полости оборудования, включенного в состав насосно-компрессорных труб (НКТ). Тем самым, значительно уменьшается проходной канал труб НКТ для потока рабочих сред, что уменьшает результативность и продуктивность проводимых работ.

Для освобождения шара необходимо произвести манипуляции с изменением режима закачки рабочей жидкости, а именно изменение давления, расхода жидкости, что в большинстве случаев невозможно без временного прекращения основных видов проводимых работ на устье скважины и является нарушением технологии проводимых работ.

Кроме того, при использовании известного устройства существует возможность, вследствие больших потоков, размыва внутренних деталей устройства, что приводит к неконтролированному сбросу шара и к аварийной ситуации.

Известное устройство не предназначено для введения нескольких шаров различного диаметра поочередно за один цикл работы, что ссужает его функциональные возможности. Для перезарядки известного устройства необходимо его извлекать из скважины, что приводит к удорожанию и значительному увеличению затраченного времени на перезарядку.

Известно устройство для очистки труб от парафиновых отложений, принятое в качестве прототипа, содержащее корпус со сквозным каналом для перемещения шаров, механизм для ввода шаров, привод (см. описание к авторскому свидетельству Российской Федерации на изобретение №629325, E21B 43/00, опубл. 25.10.1978 г.).

Известное устройство устанавливают во внутренней колонне скважины, тем самым размеры устройства ограничены габаритами внутреннего канала колонны скважины, а размеры диаметров используемых шаров невозможно использовать приближенными к размерам проходного канала труб НКТ.

Механизмы для удержания шара известного устройства размещены непосредственно во внутренней полости оборудования, включенного в состав труб НКТ, тем самым, значительно уменьшается проходной канал труб НКТ для потока рабочих сред, что уменьшает результативность и продуктивность проводимых работ.

В известном устройстве для освобождения шара необходимо произвести манипуляции с изменением режима закачки рабочей жидкости (изменение давления, расхода), в большинстве случаев это невозможно без временного прекращения основных видов проводимых работ на устье скважины, так как является нарушением технологии проводимых работ. Кроме того, в известном устройстве существует возможность размыва внутренних деталей, устройства вследствие больших потоков, что приведет к неконтролированному сбросу шара и, следовательно, к аварийной ситуации.

Технической задачей и техническим результатом создания предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей за счет возможности использования шаров разного диаметра и разного количества, повышение надежности работы за счет исключения неконтролируемого сброса шаров и удобства пользования за счет простоты при обслуживании и ремонте.

Технический результат достигается тем, что устройство ввода шаров в трубопровод, содержащее корпус с каналом для перемещения шаров, механизм для ввода шаров, привод, имеет отличия, а именно механизм для ввода шаров выполнен в виде стакана со шнеком, соединенным с приводом и снабженным механизмом фиксации шнека от произвольных вращений, где стакан установлен в полости корпуса с зазором, определяющим величину размера шаров, и закреплен в корпусе с возможностью фиксации от проворота, при этом стакан снабжен продольным направляющим пазом для установки шаров на витки шнека, продольный направляющий паз совмещен нижним концом со сквозным каналом, расположенным в нижней части корпуса и имеющим одну ось с проходным каналом трубопровода, а корпус оснащен каналом для соединения с оборудованием для стравливания воздуха и присоединительными элементами для монтажа сквозным каналом в трубопровод.

Предлагаемое устройство позволяет использовать шары, равные проходному сечению насосно-компрессорных труб и предназначено для поочередного введения нескольких шаров различного диаметра за один цикл работы. Механизм сброса шара никак не связан с потоком жидкости, поэтому нет необходимости изменять режимы закачки жидкости. Механизм сброса шара приводят в действие путем передачи вращения шнеку от привода, исключая неконтролируемый сброс шара, что повышает надежность работы.

Конструктивное решение предлагаемого устройства никак не связано с внутренними размерами подземных колонн труб скважины и труб НКТ и, следовательно, не влияет на размер проходного внутреннего сечения труб НКТ и не мешает потоку рабочей жидкости при эксплуатации устройства. Предлагаемое устройство размещают в наземном оборудовании в любой нужный момент, его монтируют на поверхности земли, и к нему есть постоянный доступ, что облегчает его обслуживание. Перезарядку предлагаемого устройства осуществляют на поверхности, что занимает короткий промежуток времени и сокращает простои скважины.

Устройство ввода шаров в трубопровод поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображен общий вид устройства в сборе; на фиг. 2 - корпус устройства; на фиг. 3 - корпус стакана со шнеком; на фиг. 4 - корпус стакана со шнеком в сечении. На фиг. 5, 6 и 7 схематически изображена работа устройства: на фиг. 5 - ввод шаров в стакан; на фиг. 6 - стакан с шаром в корпусе; на фиг. 7 - выход шара из корпуса в трубопровод. На фиг. 8 помещена схема, поясняющая расчет диаметра шаров.

Устройство ввода шаров в трубопровод состоит из корпуса 1 с полостью для установки механизма для ввода шаров, выполненного в виде стакана 2 со шнеком 3 (полость и шары на чертеже условно не показаны). Полость корпуса 1 для установки стакана 2 расположена перпендикулярно сквозному каналу 4, расположенному в нижней части корпуса 1 и имеющему одну ось с проходным каналом трубопровода, в который встраивают устройство. В верхней части корпуса 1 выполнен резьбовой элемент 5 для гайки 6 прижимной для фиксации стакана 2 со шнеком 3 внутри корпуса 1.

Боковые поверхности корпуса имеют присоединительные элементы 7 для монтажа в трубопровод. Присоединительные элементы могут быть выполнены как для фланцевого, так и для резьбового способа соединения, а также могут быть использованы и другие присоединительные элементы, а именно сварное соединение, раструбное соединение, прессованные соединения, быстро разъемные соединения, соединение хомутами, обеспечивающие герметичное соединение корпуса устройства с линией трубопровода.

Корпус 1 оснащен каналом 8 для соединения с оборудованием стравливания воздуха из внутренней полости корпуса 1 при эксплуатации устройства.

Стенка стакана 2 выполнена с продольным направляющим пазом 9. Стакан 2 в корпусе установлен с зазором, величина которого определяет величину диаметра используемых шаров. Стакан 2 зафиксирован в корпусе 1 от проворота посредством штифтов в определенном строгом положении, при котором продольный направляющий паз стакана 2 совмещен нижним концом со сквозным каналом 4 корпуса 1 (штифты на чертеже условно не показаны).

Шнек 3 в стакане 2 установлен с возможностью вращения, при этом один конец шнека 3 установлен в днище 10 стакана, а другой 2 - в крышке 11 стакана 2. Крышка 11 имеет посадочные места под подшипник 12 для вращения шнека 3 и уплотнение 13 для герметичности. Крышка 11 стакана 2 соединена с обоймой 14, а шнек 3 снабжен механизмом для фиксации от произвольных вращений, например фиксатором 15.

Вал шнека 3 выступает за обойму 14, обеспечивая возможность передавать вращение шнеку 3 от привода (вал и привод на чертеже условно не показаны). Привод устройства может быть как ручным (при вращении шнека вручную специальным ключом), так и электрическим, закрепленным на обойме 14 с возможностью вращения шнека 3 посредством пульта управления привода.

Устройство ввода шаров работает следующим образом.

Перед началом работы устройства шары загружают в механизм подачи шаров через паз 9 стакана 2, предварительно извлеченный из корпуса 1, размещая по шару на каждом из витков шнека 3 диаметром, необходимым для проведения работ в скважине, например, от 49 мм до 67 мм и в необходимой для проведения работ последовательности. Затем стакан 2 с шарами устанавливают в корпус 1 и фиксируют гайкой 6 прижимной.

Устройство ввода шаров монтируют непосредственно в трубопровод, совмещая сквозной канал 4 с каналом трубопровода. При заполнении нагнетательной линии, в которую установлено устройство, с помощью крана высокого давления через канал 8 стравливают воздух из внутренний полости устройства.

В необходимый период времени вращением шнека 3 производят сброс шара, учитывая, что один оборот шнека 3 соответствует прохождению шара с одного витка шнека 3.

При вращении шнека 3 от привода происходит движение шаров по пазу 9 в корпусе 1 сверху вниз в вертикальном направлении до совмещения со сквозным каналом 4 и последующим сбросом шара во внутренний канал трубопровода.