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

Основной недостаток скребка — неудачное расположение ножей в его нижней части, вследствие чего в устьевой арматуре остается довольно большой участок, где парафин не очищается9 Недостаточен также вес по­ движного узла, что затруд­ няет использование скребка в высокодебитных скважи­ нах.

Устройство скребка кон­

струкции Р. Ф. Сафарова можно уяснить из рис. 8. Как это видно из чертежа, поворот сегментных клапанов происходит при перекатыва­ нии шестерен 9 по зубчатой рейке, вырезанной в корпусе скребка. Грузовая штанга 16 с двумя парами ножей кре­ пится к корпусу скребка

шарнирным соединением.

ВНПУ Октябрьскнефть

ввысокодебитных скважинах используют скребок с сег­

ментными клапанами кон­

струкции старшего оператора И. И. Фелька. Область при­ менения этого скребка — скважины с дебитом от 130

до 200—210 т/сутки и с бу­

В рейку завинчены верхний и нижний штоки, которыми она центрируется по оси скребка. От возможного перекоса рейка

удерживается двумя планками 6, приклепанными к ее средней части; концы этих планок скользят по корпусу скребка. В рейку запрессованы две оси клапанов 8, клапан 5 удерживается на оси

при помощи шплинта 9, протянутого через отверстия в клапане и соответствующую канавку в оси.

Изменение положения клапанов в процессе работы скребка происходит,

так же как и в других конструкциях,

при перемещении подвижного узла отно­ сительно корпуса скребка. При ударе о нижний амортизатор клапанная рей­ ка, которая является частью подвиж­

жутся и клапаны, поворачиваясь и становясь перпендикулярно или под некоторым углом к сечению трубы. Поворот клапанов осуществляется при помощи поводков 4, которые укреплены на пластинах корпуса винтами 3. По­ водки имеют прорезь, которая при по­ вороте клапана позволяет им не только

с клапанами, изготовленными из ме­

талла, в настоящее время предложены и испытываются скребки для мало­ дебитных скважин с пластмассовыми клапанами, а также со специальным

уплотнением из нефтестойкой резины.

РЕГУЛИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКИХ СКРЕБКОВ

особенности узлов автоматического скребка и их взаимодействие. Почти во всех конструкциях скребков использованы узлы одинакового устройства: шариковый замок, клапаны и ножи.

Поэтому целесообразно вначале рассмотреть основы регули­

20

рования этих узлов, а затем уже ознакомиться с регулированием наиболее распространенного скребка УфНИИ-3.

Шариковый замок

Шариковый замок (рис. 10) состоит из корпуса 7, верхнего штока 2, головки 5, пружины замка 4, стопорных винтов 5 и

фиксирующих шариков 6. В верхней части головки замка име­ ются специальные проточки для захвата ловильным инструмен­

том и несколько отверстий для обеспечения входа и выхода жид­ кости из полости головки при ее перемещении. Головка может

перемещаться вдоль оси скребка в определенных пределах: верх-

мися в продольных прорезях на корпусе замка, а нижнее — высту­ пом на корпусе, в который упирается головка.

Принцип работы шарикового замка можно уяснить из рис. 10,

где показаны четыре различных положения деталей замка при его работе.

Во время падения скребка (рис. 10, Л) верхний шток, же­

стко связанный с подвижным узлом, удерживается в верхнем положении возвратной пружиной. При этом фиксирующие ша­ рики выдвинуты из своих гнезд утолщенной частью верхнего штока и удерживают головку замка во взведенном состоянии, пружина замка сжата. После удара скребка о нижний аморти­

затор (рис. 10, Б) верхний шток вместе с подвижным узлом дви­ жется вниз, сжимая при этом возвратную пружину, фиксирую­

щие шарики сдвигаются внутрь корпуса замка конической фаской головки, которая возвращается в свое исходное положение под действием пружины замка. Смещение шариков внутрь возможно благодаря тому, что в этот момент напротив шариков находится утоньшенная часть верхнего штока. На рис. 10, В показано по­ ложение деталей замка во время подъема скребка, расположение

121

деталей здесь мало отличается от рис. 10, Б. Разница лишь в том, что верхний шток сместился слегка вверх до упора своей ко­ нической фаской в шарики. Положение рабочих органов скребка от этого не изменится.

При ударе о верхний амортизатор (рис. 10, Г) головка сме­ щается до отказа в свое нижнее положение, сжимая пружину замка и освобождая фиксирующие шарики, которые смещаются во внутреннюю расточку головки. Верхний шток не удержи­ вается больше шариками и под действием возвратной пружины движется вверх до своего крайнего положения.

Шариковый замок применяется во всех автоматических скреб­ ках с теми или иными дополнениями и изменениями. Это объяс­ няется его компактностью, простотой и высокой надежностью. Из­ вестны примеры, когда шариковый замок обеспечивал более 15 000

циклов без осмотра и ремонта, что соответствует непрерывной работе скребка в скважине с рабочим циклом 20 мин. в течение

7 месяцев. В то же время шариковый замок чувствителен к малей­

шим изменениям формы деталей и отклонениям их размеров и

зазоров от нормальных.

Важным фактором, влияющим на бесперебойную работу ша­ рикового замка, является величина углов расточки верхнего штока и внутренней расточки головки. Для выяснения влияния этих углов на величину сил, возникающих в местах соприкоснове­ ния деталей замка, рассмотрим момент, когда фиксирующие шарики удерживают верхний шток в нижнем положении. Поскольку принцип фиксации шариками верхнего штока и головки одинаков,

то усилия, действующие на головку замка, определяются теми же зависимостями, что и усилия, действующие на верхний шток,

но величина их будет различна, так как головка взаимодействует

сменее сильной пружиной, чем верхний шток.

Вмомент удерживания верхнего штока шариками усилие возвратной пружины Р уравновешивается вертикальными со­ ставляющими реакций шариков N на шток (рис. 11). Из усло­

вия равновесия сил

22

Используя формулу (1), можно выразить силы Т и S через

Из формул следует, что силы Т, S и N зависят от усилия сжатой пружины, количества шариков в замке и от величины

угла а. Этими параметрами в ко­ нечном счете определяется износ деталей замка, а следовательно,

идолговечность его работы.

Усилие сжатой возвратной пру­

жины Р зависит от конструктив­

ных особенностей данного скребка п в правильно отрегулированном скребке уменьшить это усилие не­ возможно, не нарушив нормаль­ ной работы механизма.

ший диаметр, усилия в замке, приложенные к конической поверх­ ности верхнего штока и к цилиндрической поверхности головки,

23

или

в результате износа замка и наклепа металла в местах касания шариков постепенно образуются заметные углубления (лунки),

которые со временем увеличиваются, вследствие чего заклини­ ваются шарики. Во избежание таких явлений и для продления

коническую поверхность верхнего штока, а силы, действующие на

диаметров износ стенок гнезда увеличивается, при этом также возможно заклинивание замка. Слишком маленький шарик может выйти из гнезда более чем на половину и заклиниться между конической расточкой и краем гнезда, не имея возможности

смещаться в горизонтальном направлении. Такой же случай может быть при неправильном изготовлении корпуса замка:

если стенка гнезда слишком тонкая, шарик будет постоянно выдвигаться из гнезда более чем на половину диаметра. Поэтому толщина стенки корпуса замка делается равной 0,6—0,7 диаметра шарика. Диаметр шарика определяет также глубину выточки верх­ него штока и головки замка, которые должны быть равны примерно половине диаметра шарика. Большое значение для безотказной работы механизма замка имеют зазоры между основными дета­

лями: корпусом, штоком и головкой. Излишне тугая их посадка,

так же как и слишком свободная, отрицательно влияет на работу замка. В первом случае при малейшем изгибе корпуса скребка

замок заклинивает. Во втором случае вследствие перекоса штока или головки относительно корпуса замка возникает неодинако­ вая нагрузка на шарики, которая в конечном счете приводит к преждевременному износу и к заклиниванию механизма. Нор­ мальным следует считать зазор 0,15—0,25 мм по диаметру сопри-

25

касающихся деталей. Как показали опыты УфНИИ, автомати­ ческий скребок с шариковым замком невозможно применять

в скважинах, в которых вместе с нефтью выносится песок. Песок заполняет внутреннюю полость замка и образует вместе с парафи­ ном густую массу, затрудняющую перемещение деталей, а от­

дельные песчинки попадают в зазоры между корпусом замка,

штоком и головкой и приводят к их заклиниванию. По этой

же причине при привозке, хранении и ремонте скребков следует не допускать загрязнения замка землей, песком и металлическими опилками.

Клапаны

Клапаны являются рабочими органами скребка. Раскрываясь

при ударе о нижний амортизатор, они резко увеличивадот сопро­ тивление скребка восходящему потоку нефти и обеспечивают его движение вверх.

В скребках применяются в основном две разновидности кла­ панов: пластинчатые (шарнирные) и сегментные (поворотные).

Шарнирный клапан представляет собой пластину, вырезан­ ную в виде половины эллипса; такая форма обеспечивает мини­ мальные зазоры между кромкой клапана и стенкой трубы. К пря­ мой внутренней кромке пластины припаиваются одна или две втулки, при помощи которых клапаны попарно надеваются на общую ось, установленную в клапанной рамке. Клапаны скла­ дываются и раскрываются направляющими пластинками, укреп­ ленными на корпусе скребка или являющимися частью корпуса,

при вертикальном перемещении клапанной рамки. В раскрытом виде клапаны удерживаются специальной пружиной, которая упирается в их внутреннюю поверхность.

Очертание шарнирного клапана зависит от диаметра трубы, поперечных размеров корпуса скребка и угла наклона клапана к оси трубы, который обычно принимается равным 40—60°. Оче­ видно, чем меньше утечка нефти через клапан, тем больше его сопротивление потоку обтекающей жидкости и тем больше подъем­ ная сила скребка. Поэтому зазоры при соприкосновении клапанов

о стенки трубы должны быть минимальными. Обеспечить же хоро­ шее уплотнение по всему периметру шарнирного клапана невоз­ можно, так как поперечные размеры корпуса скребка всегда меньше внутреннего диаметра труб на 3—4 мм. Ширина клапана не должна превышать максимального поперечного размера кор­ пуса скребка, иначе выступающие части клапана будут цепляться за стыки труб и нормальная работа скребка нарушится. В ре­ зультате этого между трубами и корпусом скребка напротив оси клапана всегда имеются щели в виде узких сегментов. Их длина

больше видимой в поперечном сечении, поскольку клапаны при­ легают к трубе под углом. В шарнирном соединении и в местах прилегания плоской кромки клапана к корпусу скребка имеются более узкие зазоры. Если клапан цельный (скребок А. Ф. Гиль-

26

маншина), то минимальная видимая площадь щелей и зазоров в нем составляет 2,8% от площади поперечного сечения трубы (имеются в виду 21/г" скребки и трубы). В скребках УфНИИ применяются исключительно разрезные клапаны, которые имеют дополнительные щели, в результате чего площадь просветов ока­

зывается большей и составляет как минимум 4,5% от площади

трубы. Уменьшить щели в шарнирных клапанах путем применения мягкого уплотнения невозможно, так как по большей части своего периметра клапан прилегает к трубам достаточно плотно, а

в местах смыкания клапанов установить мягкое уплотнение нельзя,

поскольку оно будет выступать над корпусом скребка и быстро разрушится. При регулировании шарнирных клапанов необхо­

димо обеспечить минимальные утечки жидкости через клапаны.

С этой целью в зафиксированном рабочем положении подвижного узла концы клапанов должны расходиться в стороны на величину, большую, чем величина внутреннего диаметра труб; так, в 2V2" скребках расстояние между концами клапанов должно быть равным 63—64 мм, а в 2" скребках — 51—52 мм. При такой регулировке клапаны прижимаются к стенке трубы силой пру­ жины и силой, возникающей в результате перепада давления на клапане, а парафин, собирающийся на кромке клапанов, создает

дополнительное уплотнение и практически утечек жидкости по большей части периметра клапана не будет.

Расчеты показывают, что эффект торможения, возникающий в результате того, что клапан прижимается к трубам, во много раз меньше эффекта увеличения подъемной силы скребка за счет сокращения утечек жидкости.

В процессе регулирования следует также проверить, как дви­ жутся концы клапанов при перемещении подвижного узла.

Клапаны, установленные на подвижном узле, затормаживают его движение при раскрывании. Это явление «парашютирования» наблюдается в большей или меньшей степени у всех скребков с шарнирными клапанами и служит одной из основных причин прекращения работы скребка в скважинах с большими дебитами.

При небрежном изготовлении направления для клапанов явление

с небольшим дебитом.

Для проверки движения конца клапана подвижный узел последовательно перемещается на 4—5 мм, при этом замеряется расстояние между концами клапанов в каждом положении узла.

На основе замеров строится траектория движения конца клапана.

В скребках УфНИИ траекторию движения конца клапана можно получить непосредственно на корпусе скребка, приставив к концу клапана кончик карандаша и плавно перемещая подвижный узел.

В любом случае клапаны должны перекрывать сечение трубы лишь в последней фазе движения. Кривая, характеризующая

27

работу клапана, должна быть плавной почти на всем протяжении,

за исключением последнего участка, который не может характе­

ризовать движение клапана вследствие того, что клапан ка­

сается стенки трубы п движется независимо от направляющих пластин. Основным недостатком шарнирных пластинчатых клапа­ нов является склонность к засорению парафином. В небла­ гоприятных условиях парафин собирается комками на концах клапанов, не смывается потоком и тормозит падение скребка, вызывая его остановку.

Считалось также, что при внезапной остановке скважины

скребок с раскрытыми клапанами сползает вниз и полностью

засоряется парафином. Многочисленные опыты не подтверждают

этого мнения; при правильной регулировке клапанов скребок прочно удерживается ими в трубах. В некоторых скребках (кон­ струкции Р. Ф. Сафарова и И. И. Фелька) применяются сегмент­

ные клапаны. Существенным недостатком сегментного клапана является наличие значительных зазоров между кромками клапана и стенкой трубы по всему периметру, вследствие чего происходит большая утечка жидкости. Увеличить размер клапана с целью

сокращения утечки невозможно, так как их кромки не должны выступать за пределы корпуса скребка. В 2V2,Z скребке с сегмент­ ными клапанами разность между диаметром клапана и внутренним диаметром труб достигает 4—5 мм, т. е. между клапаном и стенкой трубы образуется кольцевая щель шириной до 2,5 мм. Помимо этой щели, имеются также зазоры между плоской кромкой кла­ пана и корпусом скребка шириной до 0,03 мм. Иногда в скребках с сегментными клапанами применяют мягкое уплотнение, с ниж­ ней стороны клапана наклепываются сегменты, вырезанные из кожи или нефтестойкой резины, при этом утечки жидкости зна­ чительно сокращаются. Однако испытания скребков с мягким уплотнением показали, что это уплотнение быстро изнашивается —

в течение 5—10 суток.

Сегментные клапаны имеют также ряд положительных ка­ честв. Площадь поперечного сечения при падении такого скребка мала, что имеет большое значение при применении скребка в вы­ сокодебитных скважинах, а также создаются благоприятные условия для удаления парафина с клапанов. При падении скребка

клапан повернут ребром к встречному потоку, и весь собравшийся на нем парафин смывается. Вследствие этого целесообразно при­ менять скребки с сегментными клапанами в скважинах, в которых интенсивно отлагается парафин. Регулирование сегментных кла­ панов довольно простое. Необходимо обеспечить, чтобы кромки клапанов не выступали относительно корпуса скребка, клапаны имели свободный ход, а величина зазоров оставалась при этом наименьшей. Наклон клапанов относительно корпуса можно изменять путем перемещения фиксируемого положения подвиж­ ного узла относительно корпуса скребка. Явление «парашюти­ рования» в сегментных клапанах выражено слабо.

28