Скважинный ловитель шаров Российский патент 2020 года по МПК E21B31/18 

Изобретение относится к устройствам для обслуживания скважин в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для захвата и извлечения из скважины шаров при ремонте скважин, в том числе из немагнитных материалов, оставленных в скважине после проведения различных технологических операций.

Известен скважинный ловитель запорного органа (патент RU № 2622963, опубл. 21.06.2017), содержащий цилиндрический корпус, неподвижный ограничитель подъема запорного органа, установленный в цилиндрическом корпусе и расположенный в верхней части ловителя, фиксирующую вставку по существу цилиндрической формы, установленную в цилиндрическом корпусе и расположенную в нижней части ловителя, и удерживающий элемент, установленный с возможностью поворота в фиксирующей вставке и выполненный с возможностью удержания запорного органа и обеспечения при этом протекания текучей среды. Ограничитель подъема выполнен в виде крестообразного элемента, жестко закрепленного в верхней части ловителя. Удерживающий элемент выполнен по существу П-образным или Н-образным и закреплен на поворотной оси, выполненной с возможностью свободного вращения в крепежных отверстиях, предусмотренных в фиксирующей вставке. Предусмотрен зазор между корпусом и фиксирующей вставкой для дополнительного сообщения по текучей среде области внутри корпуса ловителя и области под фиксирующей вставкой. Зазор имеет по существу цилиндрическую форму и продолжается по всей длине фиксирующей вставки. Предусмотрен боковой проем в фиксирующей вставке вблизи местоположения, в котором установлен удерживающий элемент. Корпус ловителя соединен муфтой с трубным переводником в верхней и нижних частях ловителя. Корпус выполнен из патрубка насосно-компрессорной трубы (НКТ) диаметром 89 мм и длиной 1 метр, а переводники, предусмотренные в нижней и верхних частях ловителя, представляют собой переводники НКТ 73-89 мм.

Недостатки устройства:

- во-первых, низкая надежность работы ловителя при залавливании запорного органа. Это обусловлено наличием в конструкции ловителя удерживающего элемента, установленного с возможностью поворота в фиксирующей вставке и выполненного с возможностью перекрытия площади поперечного сечения фиксирующей вставки для удержания запорного органа и обеспечения, при этом протекания текучей среды. Данное условие при низких давлениях текучей среды с высокой вероятностью может привести к отказу в срабатывании удерживающего элемента ловителя;

- во-вторых, сложность конструкции ловителя, обусловленная большим количеством узлов и деталей;

- в-третьих, высокая металлоёмкость и габаритные размеры корпуса ловителя;

- в-четвёртых, ограниченные функциональные возможности. Ловитель предназначен для улавливания только одного запорного органа (шара) и только одного диаметра, например, 35 мм.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является скважинный ловитель шаров, содержащий цилиндрический полый корпус, зацеп для удержания шаров, установленный в корпусе и выполненный в виде упругих пластин с возможностью углового перемещения пластин по отношению к корпусу при воздействии на них усилия, переходник для соединения ловителя с колонной труб, жестко закрепленный к верхнему концу корпуса. (патент RU № 2594825, опубл. 20.08.2016). Корпус состоит из жестко соединенных между собой отдельных полых секций, внутри полости каждой из секций установлен по меньшей мере один зацеп для удержания шаров, выполненный в виде упругой, по меньшей мере, однослойной пластины, жестко крепящейся одним из своих краев к корпусу секции. Пластина установлена относительно корпуса секции под острым углом с возможностью углового перемещения пластины по направлению к корпусу при воздействии на нее усилия. Пластина в поперечном сечении имеет дугообразную форму, причем выпуклая поверхность пластины обращена к продольной оси симметрии секции, а в корпусе секции напротив вогнутой поверхности пластины выполнен сквозной паз, форма и размеры которого соответствуют форме и размерам пластины в плане. К нижней секции скважинного ловителя жестко крепится защитный наконечник.

Недостатки устройства:

- во-первых, низкая надежность работы устройства при захвате шаров. Это обусловлено тем, что шар, находящийся вне ловителя вовлекается потоком жидкости и заходит во внутреннюю полость нижней секции, начинает взаимодействовать с пластинами зацепов, отгибая их в сторону корпуса и проходит в следующую секцию, расположенную выше, причём если вес шара больше силы потока жидкости, воздействующего на шар снизу, то шар вообще не поднимается вверх относительно корпуса устройства, а если усилие потока жидкости достаточно для подъёма шара, то этого усилия потока жидкости может быть недостаточно для отгиба зацепов в сторону корпуса, поэтому шар не может подняться выше зацепов корпуса ловителя;

-во-вторых, низкая эффективность работы устройства в процессе промывки. Это связано с тем, что защитный наконечник после упора в забой скважины не позволяет проводить циркуляцию жидкости, поэтому шар, находящийся в ловителе ниже зацепа не может подняться вверх вследствие отсутствия потока жидкости снизу-вверх внутри ловителя;

- в-третьих, ограниченные функциональные возможности ловителя. Ловитель предназначен для залавливания шаров только одного диаметра, например, 38 мм;

- в-четвёртых, длина и высокая металлоёмкость ловителя, связанная с тем, что количество секций корпуса с зацепом зависит от количества извлекаемых шаров, поэтому чем больше шаров, подлежащих извлечению из скважины, тем больше длина и металлоёмкость ловителя.

Техническими задачами изобретения являются повышение надёжности работы ловителя при улавливании шаров и эффективности работы ловителя в процессе промывки, расширение функциональных возможностей ловителя с возможностью улавливания шаров различных диаметров, а также снижение длины и металлоёмкости ловителя.

Технические задачи решаются скважинным ловителем шаров, содержащим цилиндрический полый корпус, зацеп для удержания шаров, установленный в корпусе и выполненный в виде упругих пластин с возможностью углового перемещения пластин по отношению к корпусу при воздействии на них усилия, переходник для соединения ловителя с колонной труб, жестко закрепленный к верхнему концу корпуса.

Новым является то, что пластины выполнены в виде разрезной цанги с нижним зажимным захватом, при этом цанга установлена внутри корпуса, причём в исходном положении пластины цанги подпружинены наружу к корпусу, причём корпус снаружи оснащён наружной кольцевой выборкой, на наружной кольцевой выборке корпуса под углом 180° относительно друг друга выполнены два Г-образных паза в виде соединенных между собой снизу длинных и коротких участков, причём снизу на наружной кольцевой выборке корпуса зафиксирована воронка, также ловитель оснащен двумя направляющими штифтами, которые с одной стороны ввернуты в верхнюю часть воронки, а с другой стороны вставлены в Г-образные пазы корпуса, при этом воронка имеет возможность продольного и поперечного перемещения относительно корпуса в пределах Г-образных пазов, причём воронка снизу оснащена радиальными отверстиями, а сверху воронка снабжена внутренним кольцевым упором, ограничивающим перемещение корпуса вниз относительно воронки, при этом в исходном положении штифты находятся в нижних концах длинных участков Г-образных пазов, при этом воронка относительно корпуса зафиксирована разрушаемым винтом, причём в рабочем положении корпус имеет возможность ограниченного перемещения относительно воронки до упора во внутренний кольцевой упор воронки с перемещением направляющих штифтов из нижних концов длинных участков в крайние правые концы коротких участков Г- образных пазов и сжатия пластин цанги внутрь от корпуса под воздействием на них усилия, создаваемого нижним торцом корпуса и смыкания зажимных захватов цанги.

На фиг. 1 схематично изображён в исходном положении скважинный ловитель шаров.

На фиг. 2 схематично изображён в рабочем положении скважинный ловитель шаров.

На фиг. 3 изображено сечение А-А разрезной втулки в исходном положении.

На фиг. 4 схематично изображена развёртка Б паза, выполненная на наружной кольцевой выборке корпуса.

На фиг. 5 изображено сечение В-В разрезной втулки в исходном положении.

Скважинный ловитель шаров содержит цилиндрический полый корпус 1 (см. фиг. 1-2, 4-5), в котором установлен зацеп 2 (фиг. 1-2) для удерживания шаров 3'…3ⁿ, например, трёх шаров. Зацеп 2 выполнен в виде упругих пластин 4 (фиг. 1-3, 5), например, в количестве четырёх штук, с возможностью углового перемещения пластин 4 по отношению к корпусу 1 при воздействии на нее усилия.

К верхнему концу корпуса 1 жестко крепится переходник 5 (фиг. 1-2) для соединения ловителя с колонной труб 6. Пластины 4 выполнены в виде разрезной цанги 7 с нижним зажимным захватом 8. Цанга 7 установлена внутри корпуса 1.

В исходном положении пластины 4 цанги 7 подпружинены наружу к корпусу 1. Корпус 1 снаружи оснащён наружной кольцевой выборкой 9 (фиг. 1-2, 4).

На наружной кольцевой выборке 9 корпуса 1 под углом 180° относительно друг друга выполнены два Г – образных паза 10' и 10", в виде соединенных между собой снизу длинных 11' и 11" (фиг. 4) участков длиной - а и коротких 12' и 12" участков длиной – b.

Снизу на наружной кольцевой выборке 9 корпуса зафиксирована воронка 13 (фиг. 1-3, 5).

Скважинный ловитель шаров оснащен двумя направляющими штифтами 14' и 14" (фиг. 1-2, 4), которые с одной стороны ввернуты в верхнюю часть воронки 13, а с другой стороны вставлены в Г - образные пазы 10' и 10" корпуса 1.

Воронка имеет возможность продольного и поперечного перемещения относительно корпуса в пределах Г- образных пазов 10' и 10" корпуса 1.

Снизу воронка 13 оснащена радиальными отверстиями 15 (фиг. 1-2) диаметром d_о, например, равным 20 мм в количестве 12 штук, при этом суммарная площадь поперечных сечений радиальных отверстий 15 должна быть больше или равна площади минимального поперечного сечения корпуса 1 ловителя диаметром D_л, например, D_л = 60 мм. Это необходимое условие, исключающее потерю напора (усилия) восходящего потока жидкости на шары 3'…3ⁿ в корпусе 1 ловителя.

Сверху воронка 13 снабжена внутренним кольцевым упором 16 (фиг. 1-2), ограничивающим перемещение корпуса 1 вниз относительно воронки 13.

В исходном положении направляющие штифты 14' и 14" находятся в нижних концах длинных участках 11' и 11" Г -образных пазов 10' и 10", при этом воронка 13 относительно корпуса 1 зафиксирована разрушаемым винтом 17.

В рабочем положении корпус 1 имеет возможность ограниченного перемещения относительно воронки 13 до упора во внутренний кольцевой упор 16 воронки 13 и сжатия пластин 4 цанги 7 внутрь от корпуса 1 под воздействием на них усилия, создаваемого нижним торцом 18 (фиг. 1-2) корпуса 1 и смыкания зажимных захватов 8 цанги 7.

При этом направляющие штифты 14' и 14" (см. фиг. 4) перемещаются из нижних концов длинных участков 11' и 11" в крайние правые концы (на фиг. 4 показано условно) коротких участков 12' и 12" Г образных пазов 10' и 10".

Уплотнительное кольцо 19 (см. фиг. 1 и 2) обеспечивает герметичность сопрягаемых поверхностей в процессе работы ловителя.

Устройство работает следующим образом.

Сначала исходя из диаметров – d_ш шаров 3'…3ⁿ (см. фиг. 1-2), подлежащих захвату и извлечению подбирают проходные диаметры D (фиг. 1) зажимного захвата 8 разрезной цанги 7 в исходном и рабочем положениях.

Шар 3' имеет минимальный диаметр d_ш1 из всех шаров, например, равный 37 мм.

Шар 3" имеет диаметр d_ш2, например, равный 40 мм.

Шар 3ⁿ имеет максимальный диаметр d_шn из всех шаров, например, равный 45 мм.

Тогда в исходном положении зажимной захват 8 разрезной цанги 7 имеет проходной диаметр D более максимального диаметра шара 3ⁿ: d_ш = 45 мм, например, D = 50 мм.

А в рабочем положении зажимной захват 8 разрезной цанги 7 имеет проходной диаметр d (фиг. 2) менее минимального диаметра шара 3': d_ш = 37 мм, например, d = 30 мм.

Ловитель в сборе, как показано на фиг. 1 спускают в скважину 20 (фиг. 1-2) до упора воронки 13 на забой 21 (фиг. 2) скважины 20, при этом диаметр D_в (фиг. 1) воронки 13 меньше внутреннего диаметра скважины 20, но при этом имеет такой диаметр, который обеспечивает попадание шаров 3'…3ⁿ внутрь воронки 13 в процессе спуска ловителя. Например, внутренний диаметр скважины D_с равен 132 мм, тогда примем диаметр D_в =120 мм. Достижение забоя скважины фиксируют частично разгрузкой колонны труб 6 на воронку 13, например, на 30 кН.

Далее начинают промывку скважины 20 закачкой технологической жидкости в межколонное пространство 22 (фиг. 1) между колонной труб 6 и скважиной 20, например в течение 30 мин.

В результате технологическая жидкость из межколонного пространства 22 через радиальные отверстия 15 поступает внутрь воронки 13, где находятся шары 3'…3^n.. Под действие напора технологической жидкости, создающего усилие направленное снизу вверх технологическая жидкость вместе с шарами 3'…3ⁿ движется вверх через внутренний кольцевой упор 16 воронки 13, и так как D > d_ш, то шары 3'…3ⁿ через нижний зажимной захват 8 разрезной цанги 7 попадают во внутренние полости разрезной цанги 7 и корпуса 1 ловителя. После окончания времени промывки полностью разгружают колонну труб 6 на воронку 13, например, с усилием 120 кН, при этом, например, при усилии 50 кН разрушаемый винт 17 срезается.

При этом корпус 1 опускается вниз относительно воронки 13, упёртой на забой 21 скважины 20, на длину равную длине - a длинных участков 11' и 11" Г - образных пазов 10' и 10" соответственно, например, а = 0,5 м, при этом корпус 1 нижним торцом 18 упирается во внутренний кольцевой упор 16 воронки 13.

Далее с устья скважины 20 поворачивают колонну труб 6 по часовой стрелке на угол, соответствующий длине - b коротких участков 12' и 12" Г - образных пазов 10' и 10". Например, на угол 90°, что при наружном диаметре корпуса равном 114 мм соответствует длине участков 12' и 12": b = 89,5 мм = 0, 0895 м.

В результате направляющие штифты 14' и 14" (см. фиг. 4) перемещаются из нижних концов длинных участков 11' и 11" в крайние правые концы коротких участков 12' и 12"- Г-образных пазов 10' и 10", а пластины 4 (см. фиг. 2) разжимной цанги 7 сжимаются внутрь корпуса 1 под воздействие на них усилия, создаваемого нижним торцом 18 корпуса 1, при этом происходит смыкание зажимных захватов 8 цанги 7 до диаметра d = 30 мм, который меньше менее минимального диаметра шара 3': d_ш = 37 мм.

После чего с помощью колонны труб 6 извлекают ловитель из скважины 20.

Повышается надежность работы скважинного ловителя при улавливании шаров. Это обусловлено тем, что конструктивно из процесса улавливания шаров исключена зависимость отгиба зацепов в сторону корпуса от усилия потока жидкости, создаваемого снизу вверх на шар и веса самого шара. При этом улавливание шаров происходит за счёт циркуляции жидкости после упора ловителя в забой скважины за счёт свободного прохождения шаров внутрь ловителя, поэтому из конструкции ловителя исключены детали создающие препятствие (отгибаемые шаром зацепы) подъёму шаров.

Повышается эффективность работы скважинного ловителя в процессе улавливания шаров благодаря наличию радиальных отверстий, выполненных в воронке, которые позволяют проводить промывку (циркуляцию жидкости) после упора ловителя в забой скважины, поэтому шары подлежащие улавливанию и извлечению, увлекаются потоком жидкости снизу-вверх внутрь ловителя.

Расширяются функциональные возможности скважинного ловителя, который позволяет улавливать шары различных типоразмеров по диаметру, а также компактная длина ловителя, которая составляет до 2 м и низкая металлоёмкость.

Предлагаемый скважинный ловитель шаров позволяет повысить надёжность и эффективности работы, расширить функциональные возможности, снизить длину и металлоёмкость скважинного ловителя.

Изобретение относится к устройствам для обслуживания скважин в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано для захвата и извлечения из скважины шаров после проведения различных технологических операций. Устройство содержит цилиндрический полый корпус, зацеп для удержания шаров, установленный в корпусе и выполненный в виде упругих пластин с возможностью углового перемещения пластин по отношению к корпусу при воздействии на них усилия, переходник для соединения с колонной труб. Пластины выполнены в виде разрезной цанги с нижним зажимным захватом. Цанга установлена внутри корпуса, в исходном положении пластины цанги подпружинены наружу к корпусу. Корпус снаружи оснащён кольцевой выборкой, на ней под углом 180° относительно друг друга выполнены два Г-образных паза в виде соединенных между собой снизу длинных и коротких участков. Снизу на наружной кольцевой выборке корпуса зафиксирована воронка. Ловитель оснащен двумя направляющими штифтами, которые с одной стороны ввернуты в верхнюю часть воронки, а с другой стороны вставлены в Г-образные пазы корпуса. Воронка имеет возможность продольного и поперечного перемещения относительно корпуса в пределах Г-образных пазов. Воронка снизу оснащена радиальными отверстиями, а сверху воронка снабжена внутренним кольцевым упором, ограничивающим перемещение корпуса вниз относительно воронки. В исходном положении штифты находятся в нижних концах длинных участков Г-образных пазов. Воронка относительно корпуса зафиксирована разрушаемым винтом. В рабочем положении корпус имеет возможность ограниченного перемещения относительно воронки до упора во внутренний кольцевой упор воронки с перемещением направляющих штифтов из нижних концов длинных участков в крайние правые концы коротких участков Г-образных пазов и сжатия пластин цанги внутрь от корпуса под воздействием на них усилия, создаваемого нижним торцом корпуса, и смыкания зажимных захватов цанги. Повышается надёжность работы при улавливании шаров и эффективность в процессе промывки, расширяются функциональные возможности, снижаются длина и металлоёмкость. 5 ил.

Скважинный ловитель шаров, содержащий цилиндрический полый корпус, зацеп для удержания шаров, установленный в корпусе и выполненный в виде упругих пластин с возможностью углового перемещения пластин по отношению к корпусу при воздействии на них усилия, переходник для соединения ловителя с колонной труб, жестко закрепленный к верхнему концу корпуса, отличающийся тем, что пластины выполнены в виде разрезной цанги с нижним зажимным захватом, при этом цанга установлена внутри корпуса, причём в исходном положении пластины цанги подпружинены наружу к корпусу, причём корпус снаружи оснащён наружной кольцевой выборкой, на наружной кольцевой выборке корпуса под углом 180° относительно друг друга выполнены два Г-образных паза в виде соединенных между собой снизу длинных и коротких участков, причём снизу на наружной кольцевой выборке корпуса зафиксирована воронка, также ловитель оснащен двумя направляющими штифтами, которые с одной стороны ввернуты в верхнюю часть воронки, а с другой стороны вставлены в Г-образные пазы корпуса, при этом воронка имеет возможность продольного и поперечного перемещения относительно корпуса в пределах Г-образных пазов, причём воронка снизу оснащена радиальными отверстиями, а сверху воронка снабжена внутренним кольцевым упором, ограничивающим перемещение корпуса вниз относительно воронки, при этом в исходном положении штифты находятся в нижних концах длинных участков Г-образных пазов, при этом воронка относительно корпуса зафиксирована разрушаемым винтом, причём в рабочем положении корпус имеет возможность ограниченного перемещения относительно воронки до упора во внутренний кольцевой упор воронки с перемещением направляющих штифтов из нижних концов длинных участков в крайние правые концы коротких участков Г-образных пазов и сжатия пластин цанги внутрь от корпуса под воздействием на них усилия, создаваемого нижним торцом корпуса, и смыкания зажимных захватов цанги.