CC BY
22
© С.Б. Бекетов, Р.В. Карапетов, Н.С. Акелян, 2012
УДК 622.245+622.279.7
С.Б. Бекетов, Р.В. Карапетов, Н.С. Акелян
ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ УДАРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ НОРМАЛИЗАЦИИ ЗАБОЕВ И БУРЕНИЯ СКВАЖИН
Приведено описание конструкции и принципа действия гидравлического ударного устройства, применяемого при ремонте и бурении нефтяных и газовых скважин для повышения эффективности нормализации забоев и бурения скважин. Ключевые слова: скважина, нефть, газ, ударное устройство.
Одним из основных видов ремонтных работ в скважинах месторождений углеводородов и подземных хранилищ газа, как правило, является их промывка с целью удаления с забоев песчано-глинистых, про-пантовых и др. пробок, разбуривание цементных мостов. Применение колонны гибких труб для проведения таких скважино-операций является одним из перспективных направлений развития технологий ремонта скважин [1].
С целью повышения эффективности процесса нормализации забоев скважин, авторами была разработана и внедрена конструкция гидроударного устройства (гидроударник), работающего как при спуске в скважину на бурильных трубах, так и в комплекте с колонной гибких труб. Устройство может применяться и при бурении скважин малого диаметра.
Следует отметить, что различной конструкции и принципа действия гидравлические ударные устройства используются давно в отечественной и мировой нефтегазопромысловой практике [2—8].
В описываемом в статье ударном гидравлическом устройстве реализован принцип генерации ударных им-
пульсов, при полном перекрытии подачи рабочей жидкости в скважину, в момент накопления упругого объема. При срабатывании устройства на удар, реализован принцип ступенчатой передачи давления на рабочий орган, через промежуточный элемент — подпружиненный торцовый клапан.
Отличительными особенностями конструкции являются:
• возможность генерации ударных импульсов, достаточных для разрушения забойной пробки или цементного моста, при малом расходе рабочей жидкости и малых диаметральных размерах устройства;
• возможность одновременно передачи крутящего момента и ударного воздействия на породоразрушающий инструмент;
• повышение надежности работы устройства, за счет принудительной передачи давления рабочей жидкости на механизм разрушения и подачи ее с максимальным расходом на породо-разрушающий инструмент.
Технический результат достигается тем, что устройство снабжено стаканом, с седлом в осевом канале, установленными в разъемном корпусе, с образованием между ними кольцевой камеры, и подпружиненным кольце-
вым поршнем с полым штоком, в осевом канале которого выполнен внутренний кольцевой выступ, образующими со стаканом кольцевую камеру, гидравлически связанную радиальным отверстием с кольцевой камерой, образованной стаканом и разъемным корпусом.
Седло снабжено продольными пазами на внутренней поверхности, с подпружиненным ступенчатым толкателем в осевом канале, установленным с возможностью опоры на кольцевой упор, в осевом канале подпружиненного торцового клапана, установленного с возможностью кинематического взаимодействия с кольцевым поршнем и кольцевым выступом полого штока, с образованием камеры, гидравлически связанной радиальным каналом с кольцевой камерой под кольцевым поршнем.
Стакан снабжен клапаном, установленным в расточке на торцовой поверхности, в месте выполнения дросселя, с его частичным перекрытием. Дроссель выполнен с возможностью связи осевого канала переходника с кольцевой камерой, между стаканом и разъемным корпусом. Подпружиненный торцовый клапан снабжен отверстием, выполненным с возможностью связи дренажной камеры, в теле кольцевого поршня, с его осевым каналом. Полый шток снабжен удлинителем с присоединительной резьбой и поверхностью, в виде квадрата или шестигранника, аналогичного сечения отверстию гайки.
Конструкция гидроударника приведена на рисунке.
Гидроударник состоит из разъемного корпуса 1, с верхним переводником 2 и нижней гайкой 3.
Внутри разъемного корпуса 1 установлен стакан 4, с образованием между ними кольцевой камеры 5, гидравлически связанной дросселем 6, с
6, с осевым каналом 7 переводника 2. Внутри стакана 4 установлен кольцевой поршень 8, связанный жестко с полым штоком 9, пропущенным через осевой канал гайки 10, связанной со стаканом 4.
Кольцевой поршень 8, с полым штоком 9, образуют с телом стакана 4 кольцевую камеру 11 , связанную, через радиальное отверстие 12, с кольцевой камерой 5 и опираются на пружину 13.
В осевом канале стакана 4 установлено седло 14.
В осевом канале, полого штока 9, выполнен внутренний кольцевой выступ 15 и установлен ступенчатый торцовый клапан 16, поджимаемый к седлу 14 пружиной 17.
Ступенчатый торцовый клапан 16, в месте перехода образует камеру 18, гидравлически связанную радиальным каналом 19, с кольцевой камерой 11, под кольцевым поршнем 8. В месте посадки ступенчатого торцового клапана 16 на седло 14, последний образует с кольцевым поршнем 8 дренажную камеру 20, гидравлически связанную, через отверстие 21 в теле ступенчатого торцового клапана 16, с его осевым каналом 22, в котором установлено опорное кольцо 23. В осевой канал седла 14 и ступенчатого торцового клапана 16 пропущен толкатель 22, с опорой на опорное кольцо 23, подпружиненный пружиной 24, относительно седла 14.
В месте взаимодействия седла 14 с поверхностью толкателя 22, на ее внутренней поверхности, выполнен ряд продольных пазов 25, для передачи давления рабочей жидкости на ступенчатый торцовый клапан 16, со стороны осевого канала 7 переводника 2. В месте расположения дросселя 6, в теле седла 14, выполнена кольцевая проточка 26, в которой установлен клапан 27, частично пе-
б
Гидравлическое ударное устройство:
а — конструкция гидроударника в разрезе, в исходном положении деталей; б — конструкция гидроударника в положении открытия торцового клапана и подачи давления рабочей жидкости на кольцевой поршень; в — конструкция гидроударника в разрезе, в положении деталей в момент нанесения удара, при наличии гидравлической связи осевого канала бурильной колонны труб, с полостью скважины
а
в
рекрывающий площадь сечения дросселя 6.
К нижнему концу полого штока 9, присоединена тяга 28, пропущенная в осевой канал, квадратного сечения, нижней пробки 3. На наружной поверхности удлинителя 28 установлена гайка регулировочная 29, опирающаяся на пружину 30. Внутри тела удлинителя 28 выполнена присоединительная резьба 31, для установки породоразрушающего инструмента (долота, фреза и т.д.).
Кольцевой зазор, между стаканом 4 и внутренней поверхностью разъемного корпуса 1 , перекрыт уплотнитель-ными кольцами 32. Кольцевой зазор, между кольцевым поршнем 8 и внут-
ренней поверхностью стакана 4, перекрыт уплотнительными кольцами 33.
Дренажная камера 20 изолирована уплотнительными кольцами 34 и 35. Кольцевой зазор, между толкателем 22 и внутренней поверхностью ступенчатого торцового клапана 16, перекрыт уплотнительным кольцом 36.
Кольцевой зазор, между полым штоком 9 и гайкой 10, перекрыт уп-лотнительными кольцами 37.
Площадь сечения торцового клапана 16, со стороны дренажной камеры 20, принята равной площади сечения торцового клапана 16, со стороны осевого канала 7 переводника 2.
Частичное перекрытие сечения дросселя 6 клапаном 27 позволяет, с расчетным расходом, подавать рабочую жидкость внутрь кольцевой камеры 5. Верхний переводник 2 снабжен внутренней присоединительной резьбой 37, для присоединения к нижнему концу бурильной колонны труб.
Гидроударник работает следующим образом:
К нижнему концу удлинителя 28, к присоединительной резьбе 31 подсоединяется породоразрушающий инструмент.
Устройство в сборе, присоединительной резьбой 37 на переводник 2, подсоединяется к нижнему концу бурильной колонны труб (или колонны гибких труб) и вводится в скважину. При подаче рабочей жидкости в трубы, жидкость поступает в осевой канал 7 переводника 2, откуда, через дроссель 6, поступает в кольцевую камеру 5 и, через радиальное отверстие 12, подается в кольцевую камеру 11. Из кольцевой камеры 11 рабочая жидкость, через радиальный канал 19, подается в камеру 18, под ступенчатым торцовым клапаном 16.
При подъеме давления в осевом канале 7, переходника 2, последнее воспринимается ступенчатым торцовым клапаном 16, который поджимается к седлу 14 пружиной 17.
Площадь восприятия перепада давления, действующего на ступенчатый торцовый клапан 16 сверху, равна площади сечения со стороны камеры 18.
Перепад давления рабочей жидкости в осевом канале 7 переходника 2, воспринимается площадью сечения толкателя 22, который перемещается вниз, относительно седла 14, и входит в торцовый контакт с опорным кольцом 23, жестко связанным с торцовым клапаном 16, со сжатием пружины 24. При определенном осевом
усилии торцовый клапан 16 выходит из взаимодействия с седлом 14 и избыточным давлением рабочей жидкости, действующим на всю площадь поперечного сечения, резко перемещается вниз, относительно кольцевого поршня 8.
Избыточное давление рабочей жидкости действует на всю площадь поперечного сечения кольцевого поршня 8, который резко перемещается вниз, вместе с полым штоком 9 и удлинителем 28, с воздействием по-родоразрушающим элементом на забойную пробку (горную породу).
При открытии торцового клапана 16 рабочая жидкость поступает в дренажную камеру 20, откуда, через отверстие 21, поступает в осевой канал 22 и, далее, через осевой канал в удлинителе 28, подается, через промывочные отверстия в долоте, в полость скважины.
Одновременно, рабочая жидкость из камеры 18 вытекает, через радиальный канал 19, в кольцевую камеру 11 и, далее, через радиальный канал 12, подается в кольцевую камеру 5. Из кольцевой камеры 5 рабочая жидкость свободно вытекает, через дроссель 6, с открытием клапана 27, в осевой канал 7 переходника 2.
Давление рабочей жидкости в осевом канале 7 переходника 2 падает.
Толкатель 22, усилием сжатой пружины 24, возвращается в исходное положение. Усилием сжатой пружины 13 кольцевой поршень 8, вместе с полым штоком 9 и тягой 28, возвращаются в исходное положение. Подача рабочей жидкости в осевой канал 22 ступенчатого торцового клапана 16 прекращается.
Клапан 27 вводится в кольцевую проточку 26, в стакане 4, с частичным перекрытием сечения дросселя 6. Рабочая жидкость заполняет коль-
цевую камеру 5, кольцевую камеру 11 и камеру 18.
Вновь происходит подъем давления в осевом канале бурильной колонны труб и осевом канале 7 переходника 2, с повторением процесса.
При генерации ударов, одновременно осуществляют передачу крутящего момента на разъемный корпус 1 , тем самым обеспечивается эффективное разрушение рабури-ваемой на забое пробки (горной породы).
1. Комплексная технология проведения ремонтных работ и интенсификации притока углеводородов с применением колонны гибких труб / С.Б. Бекетов, Ю.В. Шульев, А.Ю Косяк и др. // Нефть, газ и бизнес. М. 2008. № 7. С. 62—66.
2. A.C. СССР № 1.539.303 Мкл. Е21В 4/14, опубл. 30.01.90 г. Бюл. № 4.
3. Р.Ж. Серия «Бурение», вып. 5, М, ВНИИОЭНГ, 1982 г. С. 13—14.
4. Патент РФ на изобретение № 2097520 МПК Е21В4/14, Е21С 3/24, опубл. 27.11.1997.
5. Труды НПО «Бурение». Вып. 15, «Современная техника и технология заканчива-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ния скважин и бурение боковых стволов». Краснодар: 2006. — С. 398.
6. Кичигин A.B., Назаров В.И. Испытания гидроударника ГЁПО172 усовершенствованной конструкции / РНТС. Серия «Бурение». Вып. 6. М.: ВНИИОЭНГ 1981.
7. Патент США, кл. НКл 173/17 Мкл. Н01В 17/54, № 4084646, от 19.02.76, опубл. 18.04.78.
8. Бекетов С.Б., Машков B.A. Гидроударное устройство для очистки ствола скважины с применением колонны гибких труб / Время колтюбинга, № 2—3. 2010. М. НП «ЦРКТ» С. 98—101. ЕЕ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Бекетов Сергей Борисович — доктор технических наук, профессор почетный работник науки и техники РФ, СевКавГТУ,
Карапетов Рустам Валерьевич — кандидат технических наук, заместитель генерального директора по производству, ООО «ТехСнабКомплект», Акелян Нушик Самадовна — аспирант, СевКавГТУ.
«РБК-ЮЖНЫЙ РЕГИОН» СООБЩАЕТ -
• В 2012 году предприятия компании планируют увеличить добычу угля до 3,39 млн т, что на 65 % превышает показатели 2011 года.
• В апреле 2012 г. поставки иранской нефти в Японию сократятся.
