Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ЗУМПФА МЕТАНОУГОЛЬНОЙ СКВАЖИНЫ И ПОСАДОЧНЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ УСТАНОВКИ ОПОРНОЙ ВТУЛКИ В ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ КОЛОННЕ

Предложение относится к горной промышленности и может быть использовано при эксплуатации скважин, оборудованных погружными насосами, в первую очередь, на скважинах для добычи метана из угольных пластов.

Известно, что скважины, предназначенные для добычи метана из угольных пластов, строятся с зумпфом. Этот зумпф, длина которого составляет обычно 50-80 м, представляет собой участок ствола скважины, размещенный под вскрытыми продуктивными угольными пластами. Основное предназначение зумпфа - накопление в нем механических примесей, поступающих вместе с пластовой водой и низконапорным газом из угольных пластов, кроме того, зумпф может служить местом размещения компоновки подземного оборудования. В состав последней, обычно кроме погружного штангового насоса, входят забойный газосепаратор, противоотворотный якорь, фильтр-хвостовик, дренажный и обратный клапаны. Как правило, вскрытые угольные пласты и зумпф, пробуренный ниже интервала их размещения, перекрываются эксплуатационной колонной, которая затем цементируется. После перфорации продуктивных угольных пластов последние с целью дополнительной стимуляции их газоотдачи в подавляющем большинстве случаев подвергаются гидравлическому разрыву. Трещины, образовавшиеся в результате гидроразрыва, закрепляются с помощью проппанта, который вместе с технологической жидкостью нагнетается в угольные пласты.

Процесс последующей откачки пластовой воды из ствола метаноугольной скважины сопровождается поступлением в него значительного количества различных механических примесей (преимущественно проппанта, а также частиц угля, горной породы, цемента и т.д.). Вынос наибольшего количества механических примесей наблюдается на начальном этапе откачки пластовой воды из ствола скважины, со временем интенсивность этого явления постепенно уменьшается. Накопление механических примесей в зумпфе скважины ухудшает условия работы погружного насоса, а в определенный момент делает ее невозможной. В этом случае откачку пластовой воды прекращают и начинают подготовку скважины к проведению подземного ремонта, связанного с очисткой зумпфа от скопившихся в нем механических примесей. В метаноугольной скважине указанные ремонтные работы стараются выполнять без организации промывки, чтобы не ухудшать фильтрационные характеристики вскрытых угольных пластов. По этой причине для удаления механических примесей из зумпфа метаноугольной скважины обычно используют желонки различных типов. Часто для качественной очистки зумпфа требуется многократное выполнение спуско-подъемов желонки в ствол скважины. В целом ремонтные работы занимают достаточно продолжительный период времени, поскольку перед их выполнением метаноугольная скважина должна быть предварительно заглушена. Только после этого разрешается приступать к извлечению на поверхность лифтовой колонны с подземным оборудованием. После подъема подземное оборудование подвергается осмотру и необходимому обслуживанию, причем в некоторых случаях осуществляется замена отдельных узлов. После завершения ремонтных работ подземное оборудование вновь спускается в ствол скважины, и процесс откачки пластовой воды возобновляется.

Наиболее близким к заявленному способу по технической сущности (т.е. прототипом) является способ очистки забоя скважины во время эксплуатации [RU 2212521, 2003], который включает спуск в ствол скважины шламоуловителя, фильтра-хвостовика и компоновки погружного насоса с колонной лифтовых труб, размещение шламоуловителя ниже интервала перфорации эксплуатационной колонны на опорной втулке, герметизацию пространства между эксплуатационной колонной и шламоуловителем, извлечение компоновки погружного насоса с колонной лифтовых труб из скважины, удаление механических примесей путем подъема шламоуловителя на поверхность.

К недостаткам прототипа следует отнести сложность и продолжительность последовательной установки в скважине шламоуловителя, хвостовых труб с фильтром, компоновки погружного насоса и последующего их извлечения из скважины в обратной последовательности проведения операций, а также необходимость в использовании специального ловильного инструмента.

Известно устройство для установки посадочной муфты в обсадной колонне [SU 1714078, 1992], которое включает корпус, посадочную муфту, связанную с колонной труб, толкать, перемещающийся в осевом направлении.

Недостатком известного устройства является сложность его конструкции, т.е. наличие большого количества конструктивных элементов и, как следствие этого, низкая надежность.

Известно устройство для установки оборудования в скважине [SU 1609945, 1990], которое включает корпус, толкатель с осевым отверстием, в котором выполнено седло под бросовый запорный орган, фиксирующие элементы и уплотнительное кольцо.

Недостатком данного устройства является ненадежность крепления устройства с помощью фиксирующих элементов, поскольку возможно самопроизвольное выпадение фиксирующих элементов из корпуса и в зависимости от нагрузки на устройство и прочность стенки ствола скважины необходимо подсчитывать нужное количество фиксирующих элементов.

Также известно устройство для установки скважинного оборудования [SU 607956, 1978], которое включает корпус, втулку, выполненную с пазами с возможностью размещения в них фиксаторов, уплотнительные элементы.

Недостатком устройства является сложность и ненадежность подъема оборудования из скважины, в котором при подъеме оборудования используется создаваемый поток жидкости или газа снизу вверх при использовании энергии пласта.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению, т.е. прототипом является устройство для установки скважинного оборудования в обсадной колонне [SU 1452942, 1989], по сути посадочный узел, включающий выполненную с возможностью присоединения к колонне труб оправку с основными радиальными каналами, перекрытыми в исходном положении кольцеобразным упором, установленным в оправке с возможностью осевого перемещения, выхода из нее и фиксации в соединительной муфте эксплуатационной колонны, установленный внутри оправки с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с кольцеобразным упором фигурный поршень, выполненный с осевым каналом и седлом в нижней части под бросовый орган, и фиксатор исходного положения кольцеобразного упора.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы устройства, вследствие использования в качестве кольцеобразного упора только разрезного кольца, поскольку оно воспринимает все нагрузки и непосредственно контактирует с устанавливаемым на нем оборудованием. Затруднение вызывают также вопросы герметизации пространства между внутренней стенкой эксплуатационной колонны и самим кольцом.

Задачей предлагаемой группы изобретений является предложение такого способа очистки зумпфа скважины в процессе ее освоения и эксплуатации, который бы позволял использовать подземное оборудование с устройством для очистки зумпфа скважины, удалять скопившиеся в зумпфе механические примеси за один подъем подземного оборудования из скважины, не требовал использования специального ловильного инструмента для извлечения элементов подземного оборудования, которое было бы способным размещаться ниже зоны перфорации в эксплуатационной колонне, не оборудованной заранее кольцеобразным упором - опорной втулкой.

Последнее обстоятельство особенно актуально для скважин, в которых поочередно снизу вверх ведется отработка вскрываемых многопластовых залежей углеводородов.

В предлагаемой группе изобретений технические решения связаны между собой единым изобретательским замыслом.

Решение поставленной задачи позволяет получить технический результат, выражающийся в ускорении и упрощении процесса установки и извлечения шламоуловителя с механическими примесями из скважины за счет исключения операций, связанных со спуско-подъемами ловильного инструмента (для установки шламоуловителя, затем хвостовых труб с фильтром и их извлечения, соответственно).

Достигается также технический результат, заключающийся в обеспечении возможности размещения подземного оборудования и, в частности, шламоуловителя ниже интервала перфорации в эксплуатационной колонне по мере вскрытия и перехода на отработку более верхних продуктивных пластов, поскольку опорную втулку устанавливают оперативно в расчетном месте.

Другим техническим результатом является возможность создания более глубокой депрессии на продуктивный пласт, что особенно важно для метаноугольных скважин в процессе их освоения и эксплуатации.

В отношении объекта изобретения - способа поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что в способе очистки зумпфа скважины в процессе ее эксплуатации, включающем спуск в скважину шламоуловителя, фильтра-хвостовика и компоновки погружного насоса с колонной лифтовых труб, размещение шламоуловителя ниже интервала перфорации эксплуатационной колонны на опорной втулке, герметизацию пространства между эксплуатационной колонной и шламоуловителем, извлечение компоновки погружного насоса с колонной лифтовых труб из скважины, удаление механических примесей путем подъема шламоуловителя на поверхность, согласно изобретению в эксплуатационную колонну, перед установкой в ней шламоуловителя, фильтра-хвостовика и компоновки погружного насоса, на колонне труб спускают посадочный узел с размещенной внутри него опорной втулкой, затем осуществляют установку и фиксацию опорной втулки в эксплуатационной колонне ниже интервала ее перфорации, после чего колонну труб с посадочным узлом извлекают из скважины, шламоуловитель через фильтр-хвостовик присоединяют к нижнему концу компоновки погружного насоса и на колонне лифтовых труб спускают в скважину, при этом шламоуловитель герметично устанавливают внутри эксплуатационной колонны на опорной втулке, а подъем шламоуловителя на поверхность осуществляют одновременно с извлечением компоновки погружного насоса из скважины.

Способствует достижению технического результата то, что:

- спуск на колонне труб посадочного узла с размещенной внутри него опорной втулкой производят ниже кольцевого проема, образованного муфтой и торцами труб эксплуатационной колонны, установку и фиксацию опорной втулки в эксплуатационной колонне осуществляют выдавливанием опорной втулки из посадочного узла внутрь эксплуатационной колонны за счет создания избыточного давления и последующего осевого перемещения посадочного узла вверх;

- в качестве колонны труб для спуска посадочного узла в скважину используют колонну лифтовых труб.

В отношении объекта изобретения - устройства поставленная задача решается и технический результат достигается тем, что посадочный узел, включающий выполненную с возможностью присоединения к колонне труб оправку с основными радиальными каналами, перекрытыми в исходном положении кольцеобразным упором, установленным в оправке с возможностью осевого перемещения, выхода из нее и фиксации в соединительной муфте эксплуатационной колонны, установленный внутри оправки с возможностью ограниченного осевого перемещения и взаимодействия с кольцеобразным упором фигурный поршень, выполненный с осевым каналом и седлом в нижней части под бросовый орган, и фиксатор исходного положения кольцеобразного упора, согласно изобретению снабжен уплотнительной манжетой, кольцеобразный упор выполнен в виде опорной втулки и упругого разрезного кольца, установленного в кольцевой проточке, выполненной на наружной боковой поверхности опорной втулки, при этом уплотнительная манжета, выполнена с возможностью герметизации кольцевого пространства между опорной втулкой и внутренней стенкой эксплуатационной колонны и присоединена к верхней части опорной втулки.

Способствует достижению технического результата то, что:

- опорная втулка имеет коническое посадочное место для взаимодействия с ответным посадочным местом шламоуловителя;

- фиксатор исходного положения кольцеобразного упора выполнен в виде срезных элементов, связывающих оправку и опорную втулку, либо в виде внутренней конусной поверхности, выполненной в нижней части оправки.

К преимуществам изобретения относится также то, что посадочный узел снабжен средством контроля фиксации кольцеобразного упора в соединительной муфте эксплуатационной колонны, которое в частных случаях может быть выполнено в виде дополнительных радиальных каналов, расположенных в оправке ниже ее основных радиальных каналов и/или срезных элементов, выполненных с возможностью разрушения в момент выхода кольцеобразного упора из оправки.

Сущность предлагаемой группы изобретений поясняется описанием и чертежами. На фиг.1 показан общий вид подземного оборудования, установленного внутри эксплуатационной колонны скважины, на фиг.2 - общий вид посадочного узла в продольном разрезе, с использованием фиксатора исходного положения в виде срезных элементов (справа - в исходном положении, слева - в выдвинутом положении), на фиг.3 - общий вид посадочного узла в продольном разрезе, с использованием фиксатора исходного положения в виде внутренней конусной поверхности, выполненной в нижней части оправки (справа в исходном положении, слева в выдвинутом положении), на фиг.4 - завершающая стадия посадки опорной втулки внутри эксплуатационной колонны, на фиг.5 - общий вид шламоуловителя, установленного на опорной втулке внутри эксплуатационной колонны.

Из практического опыта добычи метана из угольных пластов известно, что в состав подземного оборудования входит компоновка погружного насоса, спускаемого в скважину, как правило, включающая в себя (в направлении снизу-вверх): забойный газосепаратор 1, механический противоотворотный якорь 2 и погружной штанговый насос 3. Кроме того, в состав подземного оборудования включен фильтр-хвостовик 4, а также может быть включен дренажный клапан 5. Компоновка подземного оборудования спускается в ствол метаноугольной скважины с помощью лифтовой колонны 6.

Ствол скважины перекрывается зацементированной эксплуатационной колонной 7, в которой против интервала размещения продуктивных угольных пластов выполнены перфорационные каналы 8. С помощью погружного штаногового насоса 3 пластовая вода по внутреннему каналу лифтовой колонны 6 откачивается из ствола скважины на поверхность. В процессе освоения и эксплуатации метаноугольной скважины уровень пластовой воды поддерживается на отметке, расположенной ниже перфорационных каналов 8 в эксплуатационной колонне 7. За счет этого создается необходимая депрессия на продуктивные угольные пласты, которая обеспечивает возможность развития в них процесса десорбции метана. К нижнему концу фильтра-хвостовика 4 последовательно присоединены механизм компенсации 9 осевого перемещения и шламоуловитель 10. Последний служит для улавливания и накопления различных механических примесей, которые поступают в ствол скважины из продуктивных угольных пластов. Шламоуловитель 10 выполнен в виде удлиненного открытого сверху полого корпуса с дном 11. Нижняя часть удлиненного открытого сверху полого корпуса (шламоуловителя 10) выполнена в виде усеченного конуса, т.е. имеет конусообразную форму, а в дне 11 установлен обратный клапан, выполненный, например, в виде седла, перекрываемого с помощью шарового элемента 12, имеется также ограничитель запорного органа (не показан).

Корпус шламоуловителя 10, по сути, включает цилиндрическую часть, переходящую в конусообразную. Шламоуловитель 10, в частности, цилиндрическая часть его корпуса, к примеру, может быть составлена из насосно-компрессорных (или обсадных) труб, свинченных между собой. Верхняя часть удлиненного открытого сверху полого корпуса (шламоуловителя 10) имеет кольцевой наружный выступ 13 с конической наружной боковой поверхностью.

Механизм компенсации 9 обеспечивает возможность возвратно-поступательного осевого перемещения шламоуловителя 10 относительно фильтра-хвостовика 4, а также поворота вокруг их общей продольной оси.

Механизм компенсации 9 связан верхним концом с компоновкой погружного насоса через фильтр-хвостовик 4, а нижним концом - со шламоуловителем 10 шарнирными узлами 14 и 15, соответственно. Причем шарнирный узел 15, связывающий нижний конец механизма компенсации 9 со шламоуловителем 10, содержит тяги 16, присоединенные своими свободными концами к верхней части шламоуловителя 10.

Во внутреннем канале эксплуатационной колонны 7 размещен кольцеобразный упор, выполненный в виде упругого разрезного кольца 18 и опорной втулки 17 с коническим посадочным местом, ответным конической боковой поверхности кольцевого наружного выступа 13. Опорная втулка 17 в процессе строительства скважины оперативно размещается во внутреннем канале эксплуатационной колонны 7.

На наружной боковой поверхности опорной втулки 17 выполнена наружная кольцевая проточка, в которой размещено упругое разрезное кольцо 18. Упругое разрезное кольцо 18 имеет возможность размещения внутри соединительной муфты 19 в кольцевом проеме, образованном соединительной муфтой 19 и торцами труб эксплуатационной колонны 7.

К верхней части опорной втулки 17 присоединена уплотнительная манжета 20. Она предназначена для обеспечения герметизации опорной втулки 17 во внутреннем канале эксплуатационной колонны 7.

Опорная втулка 17 оперативно устанавливается в заданном месте внутреннего канала эксплуатационной колонны 7 с помощью посадочного узла, включающего оправку 21 с внутренним упором 22. При этом опорная втулка 17 связана с оправкой 21 с помощью фиксатора исходного положения, который может быть выполнен, например, в виде срезных элементов (штифтов) 23 либо в виде внутренней конусной поверхности 29, выполненной в нижней части оправки 21.

Верхняя часть оправки 21 имеет резьбу для присоединения к лифтовой (или бурильной) колонне 6. Внутри оправки 21 с возможностью осевого перемещения относительно нее размещен фигурный поршень 24, выполненный с осевым каналом и седлом. Осевой канал фигурный поршня 24 может перекрываться бросовым (шаровым) органом 25. При этом фигурный поршень 24 при перемещении в осевом направлении относительно оправки 21 имеет возможность взаимодействия с верхней частью внутреннего упора 22 оправки 21.

В верхней части корпуса оправки 21 выполнены также основные радиальные каналы 26, которые выполняют несколько функций, во первых, обеспечивают монтаж (установку) срезных элементов 27 в опорной втулке 17, во вторых, используются для сброса давления при осевом перемещении опорной втулки 17 вниз вместе с фигурным поршнем 24 относительно оправки 21.

Имеется средство контроля фиксации кольцеобразного упора в соединительной муфте эксплуатационной колонны 7, которое может быть выполнено в виде дополнительных радиальных каналов 28, расположенных в оправке 21 ниже ее основных радиальных каналов 26, или срезных элементов (штифтов) 27, выполненных с возможностью разрушения в момент выхода кольцеобразного упора из оправки 21. Возможно также совместное наличие дополнительных радиальных каналов 28 и срезных элементов 27.

Способ очистки зумпфа скважины в процессе ее эксплуатации осуществляют следующим образом.

В том случае, когда в эксплуатационной колонне 7 заранее не была установлена опорная втулка 17, ее оперативно спускают на лифтовой колонне 6 и размещают в требуемом месте с помощью посадочного узла.

Для этого опорную втулку 17 вместе с уплотнительной манжетой 20, упругим разрезным кольцом 18, фигурным поршнем 24 размещают в оправке 21. При этом упругое разрезное кольцо 18 находится в сжатом состоянии. Устанавливают штифты 23, 27. После этого оправку 21 присоединяют к лифтовой колонне 6 и спускают в ствол скважины. Шаровой орган 25 при спуске оправки 21 не препятствует заполнению лифтовой колонны 6 жидкостью.

Спуск посадочного узла прекращают на требуемой глубине, т.е. ниже расчетного места установки опорной втулки 17, после чего с помощью насосного агрегата начинают нагнетать жидкость во внутренний канал лифтовой колонны 6. Шаровой орган 25 перекрывает осевой канал фигурного поршня 24, за счет чего давление внутри лифтовой колонны 6 увеличивается. Фигурный поршень 24 начинает перемещаться в осевом направлении внутри оправки 21, штифты 23, фиксирующие исходное положение и связывающие опорную втулку 17 с оправкой 21, срезается, и фигурный поршень 24 выдавливает опорную втулку 17 внутрь эксплуатационной колонны 7 до положения, в котором штифты 27 войдут в контакт с внутренним упором 22. Завершение этой операции контролируется на поверхности по изменению давления жидкости, т.к. откроются основные радиальные каналы 26. При этом уплотнительная манжета 20 расправляется, а упругое разрезное кольцо 18 продолжает оставаться в сжатом состоянии. Затем лифтовую колонну 6 вместе с посадочным узлом начинают медленно приподнимать в осевом направлении вверх, пока упругое разрезное кольцо 18, установленное в опорной втулке 17, не разместится в кольцевом проеме, образованном соединительной муфтой 19 и торцами труб эксплуатационной колонны 6, что контролируется на поверхности по увеличению нагрузки на крюке. После натяжения лифтовой колонны 6 разрушаются срезные элементы 27, снижается нагрузка на крюке. На этом оперативная установка опорной втулки 17 во внутреннем канале эксплуатационной колонны 7 заканчивается, и лифтовая колонна 6 с оправкой 21 и фигурным поршнем 24 извлекается на поверхность.

При этом средством дополнительного контроля фиксации опорной втулки 17 в кольцевом проеме соединительной муфты 19 могут служить дополнительные радиальные каналы 28. После того, как срезаются штифты 27, открываются дополнительные радиальные каналы 28, увеличивается расход жидкости, падает давление на манометре. Таким образом, определяется, что посадка опорной втулки 17 завершена успешно.

Затем шламоуловитель 10 размещают на устье, присоединяют к механизму компенсации 9 и через фильтр-хвостовик 4 соединяют с собранной компоновкой погружного насоса, которую на лифтовых трубах 6 спускают в скважину.

В процессе спуска перечисленного оборудования в скважину механизм компенсации 9 находится в растянутом положении. Обратный клапан, установленный в нижней части шламоуловителя 10, обеспечивает возможность свободного протекания жидкости в процессе спуска. Масса спускаемого подземного оборудования контролируется на устье скважины с помощью гидравлического индикатора веса (ГИВ).

При подходе шламоуловителя 10 к опорной втулке 17 скорость спуска лифтовой колонны 6 снижают. Посадка шламоуловителя 10 на опорную втулку 17 характеризуется соответствующим уменьшением массы подземного оборудования, которое фиксируется на устье скважины по показаниям ГИВ.

Находящийся в растянутом положении механизм компенсации 9, после размещения кольцевого наружного выступа 13 шламоуловителя 10 на опорной втулке 17, обеспечивает возможность выполнения операций, связанных с установкой (зацеплением) механического противоотворотного якоря 2 внутри эксплуатационной колонны 7. Как правило, для надежной установки механического противоотворотного якоря 2 необходимо выполнить поворот лифтовой колонны 6 (пол-оборота по часовой стрелке) с одновременным перемещением ее вниз.

После завершения работ, связанных со спуском колонны насосных штанг, герметизацией устья, монтажом наземного привода погружного штангового насоса 3 и т.д., приступают к процессу откачки жидкости из ствола метаноугольной скважины.

Механические примеси в процессе откачки жидкости на этапах освоения и эксплуатации метаноугольной скважины постепенно скапливаются внутри шламоуловителя 10, не попадая в зумпф скважины. За счет этого отпадает необходимость в проведении ремонтных работ, связанных с очисткой зумпфа скважины от механических примесей.

Извлечение на поверхность подземного оборудования вместе с механизмом компенсации 9 и шламоуловителем 10 осуществляется в обратном порядке, при этом механизм компенсации 9 обеспечивает возможность выполнения операций, связанных со снятием (отцеплением) противоотворотного якоря 3 от эксплуатационной колонны 7.

Поднятый на поверхность шламоуловитель 10 очищают от механических примесей или заменяют на порожний. После этого вновь выполняется спуск шламоуловителя 10, механизма компенсации 9 и подземного оборудования на лифтовой колонне 6 в скважину. Затем вновь выполняется изложенная выше последовательность операций, и процесс освоения или эксплуатации метаноугольной скважины возобновляется.