Результат интеллектуальной деятельности: Якорь гидравлического действия для фиксации насосно-компрессорных труб в скважинах с штанговыми насосами (варианты)

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к устройствам для фиксирования колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) в эксплуатационной колонне (ЭК) при добыче нефти скважинными штанговыми насосными установками.

В процессе работы штангового насоса происходят изменения длины штанг и колонны НКТ в результате действия переменных в ходе цикла давлений, а также спирального изгиба колонны НКТ. Это приводит к износу штанг и НКТ, а также снижению КПД насоса из-за потери хода. Для предотвращения этих явлений закрепляют нижнюю часть колонны НКТ к ЭК с помощью механических или гидравлических якорей.

В некоторых случаях для увеличения эффекта дополнительно применяют натяжение НКТ. Для этого после посадки якоря механического или гидравлического производят натяжение колонны НКТ, что является весьма непростой операцией, связанной с заменой труб или патрубков в составе колонны НКТ для подгонки к устьевой арматуре.

Существует также гидравлический способ натяжения колонны НКТ при использовании якорей гидравлического действия созданием необходимого избыточного давления внутри колонны НКТ (патент RU № 2681770, МПК E21B 23/01, F04B 47/02, опубл. 12.03.2019 г., бюл. № 8).

Известен механический якорь (НПФ «Пакер», каталог продукции № 17, стр. 72-73) для фиксации колонны НКТ, содержащий корпус, клин и клиновые плашки.

Его недостатками являются высокая аварийность из-за сложности извлечения из скважины после длительной работы и «прикипания» клиновых плашек, а также сложность создания натяжения колонны НКТ при необходимости.

Наиболее близок по своей технической сущности к предлагаемому якорь гидравлического действия (патент RU № 2634316, МПК Е21В 23/06, 33/1295, опубл. 25.10.2017 г., бюл. № 30), содержащий корпус со сквозным, сообщённым с НКТ каналом, сообщенный отверстием с гидравлической камерой, сообщённой с поршнем, взаимодействующим под действием перепада давлений с фиксирующими элементами в виде клиновых плашек.

Его недостатками являются сложность извлечения из-за застревания на внутренней поверхности ЭК клиновых плашек, сложность натяжения колонны НКТ.

Техническими задачами предлагаемого изобретения являются повышение надежности извлечения якоря и упрощение работ по его установке и натяжению колонны НКТ.

Указанные технические задачи также решаются якорем гидравлического действия для фиксации насосно-компрессорных труб - НКТ в скважинах с штанговыми насосами, содержащим корпус со сквозным продольным каналом и сообщённую с ним гидравлическую камеру с фиксирующими элементами, срабатывающими под действием перепада давлений.

Новым является то, что в качестве фиксирующих элементов используют эластичный элемент надувного пакера или радиальные плашки-поршни, подпружиненные возвратной пружиной, а гидравлическая камера сообщена с полостью НКТ трубкой через канал в верхней части корпуса и изолирована от продольного сквозного канала корпуса.

Новым является также то, что в корпусе якоря с плашками-поршнями установлен ствол, изолирующий сообщение гидравлической камеры с продольным сквозным каналом корпуса.

Новым является также то, что трубка, сообщающая полость НКТ с гидравлической камерой, снабжена подпружиненным обратным клапаном с запорным элементом и устройством для принудительного сообщения с полостью НКТ.

Новым является также то, что устройство для принудительного сообщения выполнено в виде сдвижной втулки, ограниченной упорами, закрывающей отверстие в НКТ и взаимодействующей с ответным элементом, установленным на штангах.

На фиг. 1 показан якорь гидравлического действия (ЯГД) из надувного пакера.

На фиг. 2 – ЯГД с плашками-поршнями.

На фиг. 3 – ЯГД из надувного пакера с обратным клапаном и системой сброса давления.

На фиг. 4 – ЯГД с плашками-поршнями, обратным клапаном и системой сброса давления.

ЯГД из надувного пакера (фиг. 1) содержит корпус 1 со стволом 2, на который одет эластичный элемент 3, герметично закрепленный одним концом на корпусе 1, соединенным сверху с НКТ 4, на которых спущен в скважину с ЭК 5 штанговый насос 6 с колонной штанг 7.

Корпус 1 ЯГД (фиг. 2) выполнен с радиальными окнами 8, в которых герметично установлены плашки-поршни 9 с насечкой 10 на наружном торце, подпружиненные возвратной пружиной 11, и соединен сверху с НКТ 4, на которых спущен штанговый насос 6.

При размещении ЯГД ниже насоса (фиг. 1 и 2) полость НКТ 4 сообщена с гидравлическими камерами 12 трубкой 13 и каналами 14, а гидравлические камеры 12 у ЯГД с плашками-поршнями 9 (фиг. 2) изолированы от канала 14 стволом 2 с каналом 15.

Для возможности предварительного натяжения НКТ 4 (фиг. 3 и 4) на входе в трубку 13 установлен обратный клапан 16 с регулируемым поджатием пружины 17 запорного элемента 18 (шарика). А ниже клапана 16 выполнено отверстие 19, сообщающее трубку 13 с полостью НКТ 4, перекрываемое сдвижной втулкой 20 с верхним 21 и нижним 22 упорами, взаимодействующей с ответным, например, упругим элементом 23, установленным на штангах 7. Давление в полостях ЭК 5 выше и ниже эластичного элемента 3 (фиг. 3) выравнивается через отверстие 24.

Работает ЯГД следующим образом.

После спуска штангового насоса 6 (фиг. 1) в заданный интервал запускают в работу привод (на фиг. не показан), штанги 7 приводят в действие насос 6.

В результате его работы уровень жидкости в ЭК 5 снижается, а в полости НКТ 4 повышается давление. Под действием перепада давлений добываемая жидкость попадает через трубку 13 в гидравлическую камеру 12 и через нее же сбрасывается обратно при подъеме оборудования из скважин, при этом ствол 2 у ЯГД (фиг. 1) изолирует камеру 12 от жидкости в канале 14. Жидкость раздувает эластичный элемент 3 и плотно прижимает его к стенке ЭК 5, обеспечивая за счёт трения исключение перемещения НКТ 4 относительно ЭК 5 и повышая коэффициент полезного действия работы насоса 6.

В ЯГД (фиг. 2) жидкость в канале 14, одновременно являющимся гидравлической камерой 12, выдвигает плашки-поршни 9 в окнах 8 до упора в стенку ЭК 5 и плотно прижимает их к ней. Насечки 10 на плашках 9 врезаются в стенку ЭК 5 и обеспечивают фиксацию НКТ 4 в ЭК 5.

При извлечении оборудования насос 6 останавливают и выравнивают давление в полости НКТ 4 с давлением внутри ЭК 5. При отсутствии перепада давления эластичный элемент 3 (фиг. 1) сжимается и освобождает НКТ 4, а плашки-поршни 8 пружина 11 (фиг. 2) возвращает в транспортное положение и ЯГД освобождает НКТ 4 для подъёма.

При этом давления в полостях ЭК 5 выше эластичного элемента 3 (фиг. 3) выравнивается через отверстие 24 и пазы на поверхности эластичного элемента 3 не обязательны.

Работа ЯГД (фиг. 3 и 4) отличается тем, что до зацепления фиксирующих элементов, эластичного элемента 3 или плашек-поршней 9 производят натяжение НКТ 4, которое происходит автоматически. После запуска привода насоса 6 перепад давления между полостью НКТ 4 и полостью ЭК 5 растет, но клапан 16 остается закрытым, пока перепад давлений не преодолеет усилия предварительного сжатия пружины 17 и не сдвинет шарик 18 от седла и не откроет клапан 16.

Под действием этого перепада давлений НКТ 4 вытягиваются и оба ЯГД фиксируют НКТ 4 в уже натянутом состоянии. При необходимости более сильного натяжения НКТ 4 может быть достигнута при соответствующей настройке сжатия пружины 17 и закачке жидкости с устья в НКТ 4 с большим давлением, чем за счет работы насоса 6. Это давление остается в полости гидравлической камеры 12 до извлечения оборудования из скважины.

Для выравнивания давлений в полостях гидравлической камеры 12 и НКТ 4 используют механизм принудительного выравнивания.

При спуске плунжера насоса 6 ответный упругий элемент 23 перемещает сдвижную втулку 20 в крайнее нижнее положение до упора 22, и сжимаясь, проходит сквозь неё. В этом положении она перекрывает отверстие 19 и остается там на все время работы скважины. При этом давления в полостях ЭК 5 выше и ниже эластичного элемента 3 (фиг. 3) выравнивается через отверстие 24.

При извлечении оборудования из скважины сначала производят подъем колонны штанг 7 с плунжером, упругий элемент 23 перемещает втулку 20 в крайнее верхнее положение до упора 21, и сжимаясь, проходит сквозь нее, как и в последующем плунжер насоса 6. Отверстие 19 открывается и давления в полости НКТ 4 и полости фиксирующих элементов выравниваются. Затем выравнивают это давление c давлением в ЭК 5, эластичный элемент 3 или плашки-поршни 9 отходят от стенок ЭК 5 и освобождают НКТ 4.

Таким образом, предлагаемый ЯГД позволяет легко без клиновых механизмов зафиксировать от перемещений колонну НКТ в скважинах со штанговым насосом и легко освободить при необходимости извлечения. При этом фиксация происходит автоматически. Более сложная конструкция позволяет осуществить натяжение колонны НКТ также без манипуляций на устье скважины. Отсутствие клиновых механизмов обеспечивает лёгкое и надёжное отсоединение ЯГД от ЭК.