Центратор-изолятор колонны насосно-компрессорных труб

 

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в скважинах с парафиногидратными отложениями на стенках насосно-компрессорных труб (НКТ), предотвращение или ликвидацию которых осуществляют путем прямого (кондуктивного) электрического нагрева колонны НКТ. Центратор-изолятор колонны НКТ в сборе имеет корпус, образованный сегментами, выполненными с внутренним продольным отверстием. Сегменты по краям вдоль длины центратора-изолятора соединяются между собой посредством шлицевого соединения и фиксируются шпильками, а корпус выполнен с эксцентриситетом относительно оси НКТ, причем центр описываемой окружности внутренних геометрических отверстий сегментов совмещен с центром описываемой окружности вокруг наружных размеров сегментов. По торцам сегменты выполнены с буртами с внутренней цилиндрической поверхностью, диаметр которой соответствует внутреннему диаметру трубы, а диаметр внутренней цилиндрической поверхности сегментов соответствует наружному диаметру муфты. Изобретение обеспечивает концентричное расположение токопроводящих элементов: внутреннего электропроводящего элемента - колонны НКТ с кабелем ЭЦН относительно наружного - эксплуатационной колонны, что улучшает электроизоляционные свойства между токопроводящими элементами. 16 ил.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано в скважинах с парафино-гидратными отложениями на стенках насосно-компрессорных труб (НКТ), предотвращение или ликвидацию которых осуществляют путем прямого (кондуктивного) электрического нагрева колонны НКТ, независимо от способа добычи продукции, например, с помощью погружных центробежных электронасосов (ЭЦН), фонтанным способом, с помощью штанговых насосов и другими способами.

Известен центратор-изолятор для электроизоляции колонны НКТ от эксплуатационной колонны при прохождении по ним электрического тока (см. П.П.Галонский "Борьба с парафином при добыче нефти", Гостопиздат, 1955 г., стр. 101, фиг. 65 и фиг. 67).

Один вариант исполнения центратора-изолятора представляет из себя осесимметричную неразъемную конструкцию из текстолита цилиндрической формы с отверстием внутри для прохождения НКТ (см. то же, фиг.65).

Другой вариант известного центратора-изолятора представляет собой разъемную (на резьбовом соединении) осесимметричную конструкцию из текстолита цилиндрической формы с внутренними буртами, надеваемую на муфту НКТ (см. то же, фиг.67).

Однако конструкция такого центратора-изолятора не обеспечивает электроизоляции НКТ от эксплуатационной колонны в случае крепления на НКТ кабеля погружного центробежного электронасоса (ЭЦН), который в этом случае, касаясь броней внутренней поверхности эксплуатационной колонны, нарушает электроизоляцию. Кроме того, из-за повреждения брони кабеля снижается эксплуатационная надежность кабеля ЭЦН.

Вместе с тем, указанные конструкции центратора-изолятора осложняют монтаж их на насосно-компрессорных трубах, так как необходимо совершать дополнительную операцию по "протаскиванию" центратора-изолятора по трубе.

Наиболее близким по технической сущности, принятым авторами за прототип, является центратор-изолятор колонны НКТ по патенту США N 4266578.

Центратор-изолятор представляет собой осесимметричную разъемную конструкцию, включающую корпус, образованный сегментами, выполненными с внутренним продольным отверстием. Сегменты фиксируются между собой посредством шлицевого соединения по краям сегментов, в теле зубьев которого выполнены сквозные отверстия с возможностью совмещения их и фиксации шпильками. Сегменты с одной стороны соединены несъемной шпилькой с возможностью раскрытия сегментов и с последующим охватом ими тела НКТ. После обжатия тела трубы и соединения зубьев с другого края сегментов в отверстия зубьев вставляется съемная шпилька, выполненная в виде клиновидного металлического стержня. Такая форма стержня обеспечивает плотное обжатие тела НКТ, предотвращая перемещение центратора по трубе в период спуско-подъемных операций (СПО) колонны НКТ в скважине.

Сегменты корпуса центратора-изолятора выполнены из металлического каркаса, гуммированного резиной.

Основным недостатком известной конструкции является следующее.

Данная конструкция центратора-изолятора при использовании ее в скважинах при добыче продукции с помощью ЭЦН обеспечивает поджатие кабеля ЭЦН только по телу трубы. В месте соединения насосно-компрессорных труб кабель расположен между муфтовым соединением колонны НКТ и эксплуатационной колонной. Так как внутренняя поверхность эксплуатационной колонны имеет различные выступы, неровности (особенно в муфтовых соединениях труб эксплуатационной колонны) в процессе спуско-подъемных операций НКТ часто происходит нарушение брони кабеля.

Кроме того, использование центратора-изолятора с металлическим каркасом, гуммированным резиной, также приводит к нарушению электроизоляционных свойств изолятора из-за быстрого износа резиновой оболочки в процессе СПО.

Таким образом, по длине НКТ нередко образуется электрический контакт между колонной НКТ, электрическим кабелем ЭЦН и эксплуатационной колонной.

Для предотвращения парафино-гидратных отложений или их ликвидации на колонну НКТ и эксплуатационную колонну, изолированные между собой центраторами-изоляторами, подают электрическое напряжение на устье скважины. Образующийся же из-за нарушения целостности центратора-изолятора и брони кабеля в процессе спуско-подъемных операций электрический контакт между колонной НКТ, кабелем ЭЦН и эксплуатационной колонной приводит к возникновению по месту контакта сварочных токов и, как следствие, к выходу из строя кабеля ЭЦН и установки электронагрева в целом.

Следует также отметить, что эксцентричное расположение кабеля ЭЦН в известной конструкции относительно оси НКТ и приближение его к эксплуатационной колонне еще более усугубляет положение, учитывая наклонно-направленную конструкцию большинства современных скважин.

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции центратора-изолятора колонны НКТ, обеспечивающей надежную электрозащиту внутренних токопроводящих элементов, а также защиту их от механических повреждений в процессе спуско-подъемных операций в наиболее уязвимой части НКТ - муфтовом соединении независимо от способа эксплуатации скважин: с помощью погружных центробежных электронасосов (ЭЦН), с помощью штанговых глубинных насосов, фонтанным способом или другими.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Центратор-изолятор колонны НКТ в сборе имеет замкнутую трубообразную форму и включает корпус, образованный сегментами, выполненными с внутренним продольным отверстием. Сегменты по краям вдоль длины центратора-изолятора фиксируются между собой посредством шлицевого соединения. В теле зубьев шлицевого соединения выполнены сквозные отверстия с возможностью совмещения их и фиксации шпильками.

Отличительными признаками заявленного центратора-изолятора колонны НКТ являются следующие: корпус выполнен с эксцентриситетом относительно оси насосно-компрессорных труб, при этом центр описываемой окружности внутреннего геометрического отверстия сегментов совмещен с центром описываемой окружности вокруг наружного геометрического размера сегментов. По торцам сегменты выполнены с буртами с внутренней цилиндрической поверхностью, диаметр которой соответствует наружному диаметру трубы, а диаметр внутренней цилиндрической поверхности сегментов корпуса соответствует наружному диаметру муфты, при этом величину эксцентриситета определяют по формуле e=k/2, где e - величина эксцентриситета между осью НКТ и центром описываемых окружностей внутреннего геометрического отверстия корпуса и вокруг наружного геометрического размера корпуса, м; k - максимальный размер токопроводящих элементов, прилегающих к насосно-компрессорным трубам по радиусу описываемых окружностей, м.

Заявляемая конструкция центратора-изолятора колонны НКТ приводит к концентричному расположению токопроводящих элементов, то есть обеспечивается такое расположение внутреннего электропроводящего элемента относительно наружного - эксплуатационной колонны, при котором наружная поверхность внутренних токопроводящих элементов находится на равноудаленном расстоянии от внутренней поверхности эксплуатационной колонны. Этим обеспечивается равная электрическая проводимость (электрическое сопротивление) зазора, чем улучшаются электроизоляционные свойства между двумя токопроводящими элементами, при этом муфта НКТ является ограничителем свободы перемещения центратора-изолятора.

Изобретение поясняется следующими чертежами.

На фиг. 1 представлен вариант двухсегментного центратора - изолятора в сборе, вид сверху.

На фиг. 2 представлен вариант двухсегментного центратора-изолятора в сборе, вид сбоку.

На фиг.3 представлена шпилька для фиксации сегментов.

На фиг.4 представлен вид сегмента 1 сбоку.

На фиг. 5 представлен вид сегмента 1 сверху.

На фиг.6 - сечение А-А по впадине шлицевого соединения сегмента на фиг. 4.

На фиг.7 - сечение Б-Б по зубу шлицевого соединения сегмента на фиг.4.

На фиг.8 представлен вид сбоку сегмента, например, с пазом для токопроводящего элемента, например, плоского кабеля ЭЦН.

На фиг. 9 представлен вид сверху сегмент, например, с пазом для токопроводящего элемента, например, плоского кабеля ЭЦН.

На фиг. 10 - сечение В-В по зубу шлицевого соединения сегмента с пазом для токопроводящего элемента на фиг. 8.

На фиг.11 - сечение Г-Г по впадине шлицевого соединения сегмента с пазом для токопроводящего элемента на фиг.8.

На фиг. 12 - вариант монтажа центратора-изолятора на муфте НКТ с токопроводящим элементом, например, плоским кабелем ЭЦН.

На фиг. 13 - вариант монтажа центратора-изолятора на муфте НКТ с токопроводящим элементом, например, круглым кабелем ЭЦН.

На фиг. 14 - вариант монтажа центратора-изолятора на муфте НКТ с токопроводящими элементами, например, плоским кабелем ЭЦН и кабелями связи.

На фиг. 15 представлен вариант исполнения трехсегментного центратора-изолятора в сборе, вид сверху.

На фиг. 16 представлен вариант исполнения четырехсегментного центратора-изолятора в сборе, вид сверху.

Корпус центратора-изолятора (см. фиг.1) включает в себя сегменты 1 и 2, соединенные между собой посредством шлицевого соединения 3 по краям сегментов (см. фиг.2). В теле зубьев 4 шлицевого соединения 3 выполнены сквозные отверстия 5 (см. фиг. 2, 4, 5, 9, 10) с возможностью совмещения их и фиксацией шпильками 6.

Высота зуба 4 и глубина впадины 7 шлицевого соединения на ответных сегментах 1, 2 (см. фиг. 4, 8) обеспечивают установку соединительных шпилек для радиального перемещения сегментов относительно друг друга с целью раскрытия центратора-изолятора для установки на колонну НКТ.

Шпильки, соединяющие сегменты между собой (см. фиг.3), представляют собой, например, ось с цанговым наконечником 8 с одного конца и ограничителем перемещения 9 с другого конца.

По концам сегменты корпуса выполнены с буртами 10 (см. фиг. 1, 2, 4) для упора в торцы муфты 11 (см. фиг. 12-14) с внутренней цилиндрической поверхностью 12 (см. фиг.2), диаметр которой соответствует диаметру насосно-компрессорной трубы 13, и охватывающей тело НКТ с равномерным зазором (натягом) по всей поверхности трубы. Диаметр внутренней цилиндрической поверхности 14 (см. фиг. 2) сегментов корпуса центратора-изолятора соответствует наружному диаметру муфты 11 НКТ для посадки на муфту, с равномерным зазором (натягом) по всей поверхности муфты.

Высота бурта 10 выполняется необходимой для обеспечения прочностных свойств центратора-изолятора в процессе СПО, ударов о выступы и трения об эксплуатационную колонну.

Сегменты в сборе придают центратору-изолятору замкнутую трубообразную форму с длиной, обеспечивающей посадку на муфту НКТ. Внутреннее продольное отверстие сегментов цилиндрической формы переходит, например, в паз 15 (см. фиг.1, 12) для укладки и фиксации токопроводящих элементов, например, силового кабеля ЭЦН 16 на теле колонны НКТ.

Такое исполнение центратора-изолятора гарантирует жесткую посадку его на муфтовое соединение колонны НКТ, без осевых и радиальных перемещений центратора-изолятора относительно колонны НКТ.

Корпус центратора-изолятора выполнен с эксцентриситетом относительно оси колонны насосно-компрессорных труб, причем центр корпуса - это центр описываемой окружности с радиусом (R_в) внутреннего геометрического отверстия корпуса и он совмещен с центром описываемой окружности с радиусом (R_н) вокруг наружного геометрического размера корпуса, при этом величину эксцентриситета корпуса определяют по формуле e=k/2, где e - величина эксцентриситета между осью колонны насосно-компрессорных труб и центром описываемых окружностей внутреннего геометрического отверстия корпуса и вокруг наружного размера корпуса, м; k - максимальный размер токопроводящих элементов, прилегающих к насосно-компрессорным трубам по радиусу описываемых окружностей, м.

Такое конструктивное исполнение центратора-изолятора обеспечивает эксцентричное расположение колонны НКТ относительно эксплуатационной колонны и концентричное расположение колонны НКТ с кабелем ЭЦН относительно эксплуатационной колонны по описываемым окружностям.

Последовательность монтажа.

Корпус центратора-изолятора, например, продольным пазом 15 (см. фиг.12) надевается на токопроводящий элемент, например, на кабель ЭЦН 16, насаживается на муфту 11 так, чтобы верхний и нижний бурты 10 корпуса охватили муфту, зафиксировались на ней, а внутренние поверхности 14, 12 корпуса (тела сегментов и буртов) легли соответственно на наружные цилиндрические поверхности муфты и трубы. Далее сегменты, предварительно соединенные между собой с одного края сегментов шпилькой 6, разворачиваются и укладываются на муфту 11. При этом верхние и нижние бурты 10 сегментов охватывают торцы муфты и внутренними поверхностями буртов упираются в торцы муфты. Шлицевое соединение с другого края сегментов замыкается и фиксируется шпилькой 6.

Установленный таким образом на муфтовом соединении колонны НКТ центратор-изолятор прижимает кабель к колонне НКТ и защищает колонну НКТ и кабель ЭЦН от касаний с эксплуатационной колонной, при этом сохраняется постоянный равномерный зазор между колонной НКТ с кабелем и эксплуатационной колонной. Это обеспечивает электрическую изоляцию колонны НКТ и кабеля ЭЦН от эксплуатационной колонны, защиту кабеля и колонны НКТ от механических повреждений при спуско-подъемных операциях.

Конструкция центратора-изолятора обеспечивает выполнение ее с помощью литья, например, из полиамида.

Конструкция предлагаемого центратора-изолятора позволяет ориентировать колонну НКТ адекватно азимуту и углу наклона конструкции скважины (эксплуатационной колонны), что имеет важное значение при монтаже в наклонно-направленных скважинах.

Для облегчения монтажа центратора-изолятора на колонне НКТ корпус его может быть выполнен трехсегментным (см. фиг.15) или четырехсегментным (см. фиг.16).

Указанная конструкция центратора-изолятора может быть использована при любых способах эксплуатации скважин, при этом во внутреннем продольном отверстии, например, с пазом могут быть уложены как кабель ЭЦН, так и кабели связи или только кабели связи для проведения исследований скважин и пласта. При отсутствии силовых кабелей и кабелей связи, например, при фонтанной эксплуатации или эксплуатации установками штангового глубинного насоса в случае отсутствия необходимости исследования скважин, пластов и работы установок k=0 и e=k/2=0.

Пример конкретного исполнения.

Конструктивные размеры центратора-изолятора при эксплуатации скважин установкой ЭЦН с кабелем КПБП 3х16 для эксплуатационной колонны 146 мм и колонны НКТ 73 мм: наружный размер центратора-изолятора - 122 мм (0,122 м);
внутренний размер под муфту НКТ - 89 мм (0,089 м);
глубина паза = k = 14 мм (0,014 м);
ширина паза - 42 мм (0,042 м).

При этом гарантированный зазор между колонной НКТ с кабелем (токопроводящим элементом) и эксплуатационной колонной равен 9,5 мм (0,0095 м).

Испытания центраторов-изоляторов при всех реальных нагрузках в эксплуатационной колонне показали высокую надежность как с точки зрения механической защиты токопроводящего элемента, например, кабеля и элементов колонны НКТ, так и высокую электрическую защиту колонны НКТ с токопроводящим элементом.

Формула изобретения

Центратор-изолятор колонны насосно-компрессорных труб, включающий корпус, образованный сегментами, выполненными с внутренним продольным отверстием, фиксируемыми между собой посредством шлицевого соединения по краям сегментов, в теле зубьев которого выполнены сквозные отверстия с возможностью совмещения их и фиксации шпильками, отличающийся тем, что корпус выполнен с эксцентриситетом относительно оси насосно-компрессорных труб, причем центр описываемой окружности внутреннего геометрического отверстия корпуса совмещен с центром описываемой окружности вокруг наружного геометрического размера корпуса, по торцам сегменты корпуса выполнены с буртами с внутренней цилиндрической поверхностью, диаметр которой соответствует диаметру насосно-компрессорной трубы, а диаметр внутренней цилиндрической поверхности сегментов корпуса соответствует наружному диаметру муфты, при этом величину эксцентриситета корпуса определяют по формуле
e = k/2,
где e - величина эксцентриситета между осью насосно-компрессорных труб и центром описываемых окружностей внутреннего геометрического отверстия корпуса и вокруг наружного размера корпуса, м;
k - максимальный размер токопроводящих элементов, прилегающих к насосно-компрессионным трубам по радиусу описываемых окружностей, м.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16