книги из ГПНТБ / Еникеев В.Р. Автоматические скребки для очистки подъемных труб от парафина

отложения парафина 2 встречаются лишь в отдельных интерва­ лах, примерно совпадающих с интервалами, где наблюдается

выделение отдельных компонентов попутного газа. Повседневная практика на других нефтяных месторождениях

показывает, что такое распределение отложений парафина является до некоторой степени типичным. Отложения парафина на глубине свыше 800 at встречаются крайне редко, а максимальные

отложения парафина всегда встречаются на глубине более 50—70 м от устья. Установлена также зависимость интенсивности пара­ финовых отложений от величины буферного давления. Как пра­ вило, при большем давлении парафин откладывается в меньшем количестве, -а начало интервала отложения парафина смещается

Рис. 3. Распределение парафиновых отложений по стволу фонтанной сква­ жины Туймазинского нефтяного месторождения при ее длительной работе

без очистки (скважина оборудована 21/2" трубами)........

к устью скважины. При увеличении дебита скважины парафин откладывается также в меньшем количестве, по-видимому, про­ исходит частичный вынос его на поверхность.

Относительно причин, вызывающих образование парафиновых отложений, в настоящее время единого мнения нет.

Одна группа исследователей считает, что основной причиной выпадения парафина в стволе скважины является снижение тем­ пературы нефти по мере ее движения вверх. Причем иногда счи­ тают более существенным фактор снижения температуры за счет теплопередачи в окружающий грунт и менее существенным охлаждение нефти в моменты выделения из нее компонентов попут­ ного газа.

Другая группа исследователей считает, что основной причиной

выпадения парафина является изменение физических свойств нефти при выделении компонентов попутного газа. Температур­ ный фактор при этом считается второстепенным.

Из последних работ в этой области известна гипотеза,

предложенная Н. Н. Непримеровым и А. Г. Шарагиным. Согласно этой гипотезе нефть в процессе движения по стволу скважины обладает «динамическим» давлением насыщения, которое в отли­

9

чие от «статического» (найденного в лабораторных условиях)

определяется не суммой давлений насыщения наиболее летучих компонентов — метана и азота, а давлением насыщения одного метана или одного азота. Таким образом, первым из нефти выде­

ляется метан, вслед за метаном выделяются азот, этан, пропан и бутан в порядке, обусловленном величиной их давления насы­

щения или критического давления. Это явление возможно при отсутствии взаимодействия между жидкой и газовой фазами восходящего потока нефти.

Каждый газовый пузырек с момента своего образования имеет конечные размеры и сразу же покрывается плотной и упругой оболочкой, состоящей из смол, асфальтенов и парафина, содер­

жащихся в нефти. В результате обмен между газом внутри пу­ зырька и окружающей средой прекращается, а по мере подъема

газового пузырька к устью скважины его объем увеличивается незначительно. Этим и объясняется меньшее содержание газо­

вой фазы в потоке по сравнению с лабораторными данными. Слиянию и укрупнению газовых пузырьков по мере их подъема к устью препятствуют высокая прочность их оболочки и наличие на пузырьках одноименных электрических зарядов.

В определенном интервале эксплуатационных труб, когда прочность оболочки становится недостаточной, чтобы выдержать разность давлений внутри пузырька и в окружающей среде,

оболочка разрушается и освобождает газ. С этого момента газ вступает в обмен с окружающей средой и в зависимости от да­ вления, температуры, состава нефти и газа в данной точке сква­ жины газовая фаза потока может уменьшиться за счет растворения

газа в нефти или же увеличиться за счет испарения легких угле­ водородов. Парафин и другие вещества, образовывавшие оболочку, также освобождаются и частью выносятся газо-нефтяным потоком, а в основном откладываются па стенках труб.

Предполагается, что в фонтанной скважине интервал разру­ шения оболочек газовых пузырьков находится на глубине 50— 150 м от устья (см. рис. 1 и 2), здесь наблюдаются резкое сокра­

щение газосодержания, снижение скорости потока и наиболее

интенсивное отложение парафина. При высоком буферном да­ влении разрушение оболочек пузырьков может происходить вблизи от устья скважины и в отводных линиях.

Предположение о наличии оболочек на газовых пузырьках хорошо объясняет образование максимального количества пара­ финовых отложений. Что же касается остального интервала эксплуатационных труб, где откладывается парафин, то в первой своей работе Н. Н. Непримеров и А. Г. Шарагин связывали отложения парафина с выделением компонентов попутного газа,

а в дальнейшем стали считать основной причиной образования

парафиновых отложений охлаждение нефти в процессе ее подъема к устью.

10

КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКИХ СКРЕБКОВ

Принцип работы автоматического скребка

Существующие автоматические скребки по принципу работы механизма можно подразделить на инерционные и манометри­ ческие. Инерционные скребки изменяют положение своих узлов при ударе о препятствие, установленное в трубах (верхний и нижний амортизаторы). Манометрические скребки раскрываются

вскважине в результате воздействия манометрического реле па механизм при достижении скребком заданной глубины, а скла­ дываются при ударе о верхний амортизатор.

Практически применяются инерционные скребки, а маномет­ рические скребки пока находятся в стадии разработки.

Инерционные автоматические скребки состоят из двух основ­

ных узлов: корпуса и подвижного узла. Подвижный узел имеет

возможность перемещаться вдоль корпуса скребка и фиксируется

вкрайних положениях специальным шариковым замком и воз­ вратной пружиной. На подвижном узле или на корпусе монти­ руются рабочие органы скребка: ножи и клапаны. Ножи служат для очистки стенок труб от парафина, а клапаны, представляющие собой систему пластин, перекрывают сечение эксплуатационных труб и обеспечивают подъем скребка. Изменение положения кла­ панов и ножей происходит при перемещении подвижного узла относительно корпуса скребка во время ударов об амортизаторы,

ограничивающие движение скребка в трубах. Нижний аморти­ затор представляет собой кольцо диаметром, меньшим диаметра трубы, а верхний — шток, установленный вдоль оси устьевой арматуры, торец штока воспринимает удары скребка. Поперечные размеры корпуса скребка всегда меньше внутреннего диаметра труб на 3—4 мм. Это делается для того, чтобы обеспечить сво­ бодное движение скребка в колонне эксплуатационных труб, на внутренней поверхности которой могут быть неровности и уступы.

Принцип работы автоматического скребка довольно прост. Скребок, брошенный в колонну подъемных труб, падает вниз,

преодолевая сопротивление восходящего потока газо-нефтяной смеси. В это время скребок оказывает потоку наименьшее сопро­

тивление, так как клапаны его сложены, а ножи имеют наимень­ ший диаметр, благодаря чему уменьшается их трение о стенки

труб. Падая с достаточно высокой скоростью, скребок ударяется

онижний амортизатор и прекращает свое движение вниз. В этот момент подвижный узел скребка, имея достаточный запас кине­ тической энергии, продолжает двигаться вниз, преодолевает

сопротивление возвратной пружины и одновременно раскрывает

клапаны. Перемещение подвижного узла вниз заканчивается его ударом о корпус скребка, и под действием возвратной пру­ жины подвижный узел начинает возвращаться в исходное поло­ жение. Однако шариковый замок допускает смещение подвиж­

11

ного узла вверх лишь на 3—4 мм и удерживает его в этом поло­ жении, обеспечивая раскрытие клапанов. Клапаны почти пол­

ностью перекрывают внутреннее сечение трубы, и под действием восходящего потока нефти и газа скребок движется вверх, одно­ временно очищая своими ножами поверхность труб.

Скорость подъема скребка пропорциональна скорости движе­ ния газо-нефтяной смеси, но несколько меньше ее и зависит от многих факторов: конструкции скребка, дебита скважины, газо­ вого фактора, буферного давления и от характера отложений парафина на стенках труб. В устьевой арматуре скребок уда­ ряется о верхний амортизатор. При ударе шариковый замок осво­ бождает подвижный узел скребка, который под действием воз­ вратной пружины занимает свое крайнее верхнее положение,

складывая при этом клапацы. Сопротивление скребка потоку резко уменьшается, скребок начинает падать вниз и повторяет цикл.

Для оценки работы скребка в скважине наиболее часто при­ меняется понятие «рабочий цикл», который представляет собой промежуток времени между двумя последовательными ударами скребка о верхний амортизатор. Рабочий цикл зависит от ряда причин и в первую очередь от дебита скважины, величины бу­ ферного давления и глубины установки нижнего амортизатора.

Скребки конструкции УфНИИ

Ь настоящее время на промыслах применяют скребки

УфНИИ-3 и УфНИИ-ЗМ.

Скребки УфНИИ-3 хорошо работают в фонтанных скважинах

с дебитом от 60 до 130—140 т/сутки и с буферным давлением более 4—5 ат1. При тщательной подготовке механизма и хоро­ шем состоянии труб скребки УфНИИ-3 могут работать при де­ бите 40—50 т/сутки. Указанный здесь верхний предел дебита

является условным, поскольку он определяется прочностью скребка,- случаи же поломки скребков УфНИИ при высоких дебитах — довольно частое явление.

Скребок УфНИИ-3 (рис. 4) состоит из двух основных узлов: первый из них корпус с шариковым замком и возвратной пру­ жиной; второй — подвижный, он несет на себе клапаны и ножи.

Подвижный узел состоит из клапанной рамки 15, верхнего штока 7 и нижнего штока 26, направляющих движение клапан­ ной рамки относительно корпуса. К нижнему штоку крепится на резьбе сменный грузик 28, который позволяет изменять в неко­ торых пределах вес подвижного узла, а следовательно, и общий вес скребка.

12

На клапанной рамке помещаются три пары шарнирных раз­

резных клапанов 16 и ножи скребка 10. Клапан представляет

собой пластинку, выре­ занную в виде половины

эллипса, с щелью вдоль

оси симметрии. Каждая пара клапанов смонти­ рована на общей оси 18

при помощи втулок,

которые припаяны к

плоским кромкам кла­ панов. Несколько ниже оси клапанов располо­ жена ось 19, на которую надеты две пружины 20,

раздвигающие клапаны

13

режущих кромок ножей при перемещении подвижного узла. Верхние концы планок обоих ножей стягиваются пружиной 8,

протянутой через отверстие в верхнем штоке.

Корпус скребка собран из двух фиксаторных планок 21,

имеющих каждая по три трапецеидальных выреза для напра­

вления клапанов, кожуха верхнего штока 11 и кожуха нижнего штока 23. Все эти детали соединяются между собой заклепками 12. Внутри кожуха нижнего штока помещаются возвратная пру-

экина 24 и нижний шток; возвратная пружина удерживается в кожухе накидной гайкой 25.

Кожух верхнего штока имеет в своей средней части две щели,

через которые проходит стяжная пружина ножей, а верхняя его часть имеет резьбу для соединения с корпусом замка.

Шариковый замок состоит из двух основных деталей: корпуса замка 5 и головки 1, внутри которой находится пружина замка 2. Положение головки относительно корпуса замка, а последнего относительно кожуха верхнего штока определяется стопорными

винтами 3 и 6. В качестве фиксирующих элементов в замке исполь­ зованы три шарика диаметром от 4,6 до 5 мм.

Разборка скребка УфНИИ-3 производится в следующей по­ следовательности. Отвинчиваются сменный грузик, накидная гайка и извлекается возвратная пружина; после этого сни­ мается головка замка, извлекаются шарики из гнезд и отвинчи­ вается корпус замка. Чтобы освободить верхний шток, нужно снять один из ножей с оси и, оттянув планку ножа в сторону, вытянуть

его из петли стяжной пружины; второй нож в большинстве случаев снимать не нужно, достаточно отвести его в сторону. Вслед за этим отвинчиваются оба штока. Клапанная рамка легко

вынимается из корпуса, когда все клапаны прижаты к рамке.

Перед извлечением рамки следует отметить ее положение относительно корпуса, для того чтобы не ошибиться при мон­ таже.

Сборка скребка производится в обратной последовательности. Клапанная рамка и корпус скребка разбираются только во время

шенствованным образцом скребка УфНИИ-3. Скребок, выпу­

скавшийся под этим же названием до конца 1957 г., имел ряд конструктивных недостатков, несколько худшую гидродинами­ ческую характеристику и был ненадежен в работе. В последнее время в УфНИИ разработана модернизированная конструкция автоматического скребка для 2V2" труб, который выпускается сейчас под названием УфНИИ-ЗМ. Этот скребок имеет некоторые

отличия от скребка УфНИИ-3 (рис. 5). В модернизированном скребке увеличена длина корпуса и клапанной рамки. Имеются также три пары клапанов, но расстояние между их осями равно 102 мм (в скребке УфНИИ-3 63 мм). Согласно проведенным

14

исследованиям увеличение расстояния между клапанами обеспе­ чивает большую подъемную силу скребку.

С целью исключить перекос клапанной рамки относительно корпуса скребка при ее верхнем положении в кожухе верхнего штока сделаны прорези, которые направляют кла­

панную рамку при ее движении. В скребке УфНИИ-ЗМ несколько уменьшены зазоры между кромками прорезей клапа­ нов и фиксаторной план­

кой, а также изменены раз­ меры деталей шарикового замка.

Приемы разборки и регулирования скребка УфНИИ-ЗМ аналогичны приемам скребка УфНИИ-3

вследствие аналогии в устройстве их узлов.

Эксплуатация скребков УфНИИ-ЗМ показала, что

их качество несколько

уступает качеству преды­

ные размеры клапанной рамки и корпуса. Прочность корпуса модернизированного скребка ниже, чем прочность корпуса скребка УфНИИ-3.

Положительные результаты, полученные при эксплуатации

автоматических скребков в 21/г" трубах, определили разработку конструкции автоматического скребка и для 2" труб. Первые работы, проведенные в этом направлении в УфНИИ, заключались в копировании существующих ЗУг" скребков с пропорциональ-

15

ним уменьшением размеров всех деталей. Однако испытания этих скребков показали, что они имеют недостаточную прочность и слишком малый вес, не обеспечивающий необходимую ско­

рость падения. Поэтому последующие образцы 2" скребков УфНИИ несколько отличаются внешним видом и устройством ют 2V2" скребков.

На рис. 6 представлен один из экспериментальных скребков УфНИИ для 2" труб.

16

на общей оси 8, которая вставлена в клапанную рамку; раз-

к верхней части клапанной рамки, а верхние концы планок ножей соединены между собой ограничительной рамкой 3, которая проходит через прорези в кожухе верхнего штока и через отвер­ стие в штоке.

Принцип работы скребка и отдельных его узлов такой же,

как и скребка УфНИИ. Основное различие заключается в том, что клапаны выполнены цельными и прижимаются к клапанной рамке не фиксаторными планками, а специальными направляю­ щими пластинами.

Двухклапанный скребок разбирается примерно в той же по­ следовательности, что и скребки УфНИИ. Клапаны и пружины клапанов могут быть сняты со скребка без извлечения клапан­ ной рамки из корпуса, для этого достаточно совместить торец оси клапана или оси пружины с соответствующим отверстием в боковине корпуса, другой торец оси окажется при этом напро­ тив отверстия в противоположной боковине. Ось легко выби­ вается со своего места тонким стержнем, и клапаны свободно вы­ нимаются из клапанной рамки. Клапанная рамка извлекается из корпуса только в случае ее серьезной поломки, поскольку для этого необходимо высверливать заклепки поперечных планок направляющих пластин и снимать их с корпуса.

Опыт двухлетней эксплуатации скребков конструкции А. Ф. Гильманшипа показал, что они надежны в работе и обла­ дают высокой прочностью и износоустойчивостью, во многих случаях они работают по 7—8 месяцев без ремонта в тех же сква­ жинах, где скребки УфНИИ разрушаются через 1—IV2 месяца.

Большим преимуществом двухклапаиного скребка является также простота его изготовления. К сожалению, до последнего

времени эти скребки не приняты к массовому производству.

Скребки с сегментными клапанами

В этих скребках перекрытие поперечного сечения труб обес­ печивается клапанами, выполненными в виде сегментов, вращаю­ щихся на оси. При падении скребка клапан-сегмент расположен

параллельно оси труб, а при подъеме клапан поворачивается вокруг оси симметрии на 90° и становится поперек трубы.

Оригинальный скребок с сегментными клапанами был пред­ ложен в 1955 г. старшим оператором Р. Ф. Сафаровым (НПУ Туймазанефть). Этот скребок предназначен для 2" труб и испыты­ вался в скважинах, оборудованных погружными электронасо­ сами. При испытаниях были получены хорошие результаты в скважинах с дебитом от 60 до 100 т/сутки, а в том случае, когда с нижней стороны клапанов приклепывается мягкое уплот­ нение из кожи или нефтестойкой резины, скребок устойчиво работает и при дебите около 50 т/сутки.

18