УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВСКРЫТИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ОБСАДНОЙ КОЛОННЫ
DEVICE FOR OPENING METAL PORTION OF CASING

Изобретение относится к строительству и ремонту нефтяных, газовых и других скважин и может использоваться для сообщения полости обсадной трубы в скважине с окружающей средой для получения притока продукции пласта, закачки различных жидкостей и растворов при воздействии на призабойную зону, при проведении изоляционных и прочих работ в тех случаях, когда для указанных целей необходимо пробить отверстие в стенке обсадной колонны.
Для оценки новизны и технического уровня изобретения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с изобретением признаков, известных из сведений, ставших общедоступными до даты приоритета изобретения.
Широко известны и находят всеобщее применение скважинные перфораторы многозарядного исполнения, использующие энергию взрывчатого вещества, которые залповым выстрелом пробивают за один спуск устройства в скважину множество отверстий в стенке обсадной колонны или кумулятивными струями, или пулями, или разрывными снарядами. Указанные перфораторы внутри скважины обычно транспортируются на гибком кабель-канате с помощью лебедки каротажной бригадой. Кроме того, устройства, использующие взрывчатые вещества, небезопасны для персонала и иногда приводят к нарушениям целостности обсадной колонны ударной волной взрывов.
Известны перфораторы, спускаемые в скважину на силовом электрическом кабеле-канате, содержащие сверло с электроприводом для вращения, подачи и отвода его из отверстия (см. Сверлящий перфоратор типа "ППС 112-60", НПП "Азимут" при Уфимском государственном нефтяном техническом университете). Их недостаток - малая глубина сверления, повышенный износ и большие усилия сверления.
Известен скважинный пробойник для труб, спускаемый в скважину на рабочей колонне, содержащий полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, образующий с цилиндром штоковую камеру, плунжер, установленный в цилиндре и связанный со штоком с помощью срезного элемента и образующий с цилиндром рабочую камеру, которая через отверстие в переводнике сообщается с пространством скважины через обратный клапан, выполненный в виде разрушаемой при взаимодействии с рабочей колонной заглушки (см. патент РФ 2057894). Основной недостаток данного устройства - однократность действия, в результате чего за каждый его спуск в скважину можно получить практически не более 1-3 отверстий (определяется числом радиальных боковых каналов в его корпусе). Другой недостаток - для приведения его в действие путем разрушения заглушки под воздействием рабочей колонны устройство должно быть посажено на какой-нибудь упор в скважине.
Известен скважинный пробойник для труб и спуска в скважину на рабочей колонне, содержащий полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале корпуса поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, связанный со штоком полый плунжер, установленный в полости цилиндра и образующий с ним штоковую и рабочую камеры, переводник, жестко связанный с цилиндром, который характеризуется тем, что в качестве рабочей использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости - энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и пространством скважины через дроссели, штоковая камера через отверстия в цилиндре сообщена с пространством скважины, плунжер выполнен со сквозным каналом, сообщающим рабочую и штоковую камеры, на котором установлен нормально открытый клапан, шток и плунжер соединены между собой жестко и подпружинены для обеспечения штоку положения, выдвинутого из корпуса и для обеспечения закрытия клапана на канале плунжера, шток снабжен поршнем для взаимодействия с жидкостью, содержащейся в корпусе, при выдвижении штока из него, а в переводнике установлен сообщающий рабочую камеру с пространством скважины нормально закрытый золотник, запорный элемент которого связан с поршнем гидравлического реле выдержки времени, причем последнее снабжено обратным клапаном, каналами и возвратной пружиной для обеспечения открывания золотника после выдержки некоторого заданного времени и ускоренного закрытия с возвратом реле в исходное состояние (см. патент РФ №2202035).
Известна установка для перфорации обсадной колонны в скважине, содержащая колонну труб с отклонителем в виде изогнутого канала в корпусе, в которую на второй колонне труб спущен гидравлический двигатель со сверлом на гибком валу (см. патент US 5413184).
Для решения поставленных задач широкое применение находят и различные электроразрядные технологии (см. например, Курец В.И., Усов А.Ф., Цукерман В.А. Электроискровая дезинтеграция материалов. Изд.: Апатиты, 2002).
Применяемые для электроразрядных технологий импульсные источники питания имеют в своей основе электроразрядный генератор, который через кабель и разделительный разрядник подключен к рабочему инструменту. Но передача высоковольтного импульса большой энергии на большие расстояния в ряде случаев становится экономически и технологически нерациональна. В подобных условиях применяют погружные генераторы (см. а.с. 728220).
Недостатком всех известных устройств для вскрытия металлических частей обсадных колонн является то, что подача рабочего инструмента, например медного электрода, с целью сохранения необходимого для электроразряда зазора между электродом и обрабатываемой поверхностью, осуществляется принудительно вручную либо на основе обратной связи по какому-либо параметру электроразряда, например разрядному току. В условиях нефтяной скважины обеспечить регулировку зазора, который находится в пределах 0,01-0,2 мм между рабочим инструментом и обрабатываемой поверхностью, весьма затруднительно, а любое отклонение от необходимой величины этого зазора приводит к остановке процесса и непроизводительным потерям времени.
Задачей изобретения является упрощение конструкции и автоматизация процесса образования зазора между рабочим инструментом электроразрядной установки и обрабатываемой поверхностью, повышение производительности устройства.
Сущность изобретения как технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого изобретением технического результата.
Устройство для вскрытия металлических частей обсадных колонн, включающее электроразрядный генератор, который через кабель подключен к рабочему инструменту, которое характеризуется тем, что рабочий инструмент выполнен в виде электрода, в объеме которого при его изготовлении равномерно размещена совокупность частиц из тугоплавкого и электроизоляционного материала или материала с низкой электропроводимостью, причем частицы выбраны с эффективным диаметром, соответствующим удвоенной величине зазора, необходимого для электроразряда между электродом и обрабатываемой поверхностью, при этом устройство снабжено средствами поджатия электрода к обрабатываемой поверхности.
В этом заключается совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Кроме того, изобретение характеризуется рядом факультативных признаков, а именно:
- устройство может быть снабжено средствами для вращения электрода вокруг своей продольной оси;
- устройство может быть снабжено средствами для обеспечения вибрации электрода;
- устройство может быть снабжено средствами для обеспечения возвратно-поступательного движения электрода;
- боковая поверхность электрода может быть снабжена изоляцией.
Достигаемый при использовании изобретения технический результат заключается в том, что вкрапленные в объем электрода частицы из тугоплавкого и электроизоляционного материала определенного размера постоянно по мере расходования электрода и выкрашивания частиц обеспечивают необходимый для электроразряда зазор.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображен разрез по электроду в месте его контакта с обрабатываемой поверхностью.
Устройство для вскрытия металлических частей обсадных колонн включает электроразрядный генератор, который через кабель (на чертеже условно не показаны) подключен к рабочему инструменту, который выполнен в виде электрода 1, в объеме которого при его изготовлении равномерно размещена совокупность частиц 2. Эти частицы 2 выполнены из тугоплавкого и электроизоляционного материала или материала с низкой электропроводимостью, например корунда, карбида кремния, кубического нитрида бора, алмаза, тугоплавких сплавов и т.п. Частицы 2 выбраны с эффективным диаметром D, соответствующим удвоенной величине зазора Н, необходимого для эффективного электроразряда, сопровождающегося электроэрозией между электродом 1 и обрабатываемой поверхностью 3, т.е. D=2H и, соответственно, H=D/2. Устройство снабжено средствами поджатия электрода 1 к обрабатываемой поверхности 3. Устройство может быть снабжено средствами для вращения электрода вокруг своей продольной оси, средствами для обеспечения вибрации электрода или средствами для обеспечения возвратно-поступательного движения электрода. Боковая поверхность электрода может быть снабжена изоляцией.
Устройство работает следующим образом.
Электрод 1 с постоянным усилием, которое может сопровождаться либо вращением либо вибрацией поджимается к обрабатываемой поверхности 3, и при этом необходимый для электроразрядной обработки зазор автоматически обеспечивается тем, что электрод 1 упирается в обрабатываемую поверхность 3 не своим материалом, а вкрапленными в его объем тугоплавкими и электроизоляционными частицами 2, а поскольку их эффективный диаметр вдвое больше величины необходимого для электроразряда зазора, то этот зазор обеспечивается и процесс обработки начинается. При этом при постепенном срабатывании материала электрода 1 вследствие электроэрозии частицы 2 выкрашиваются из объема электрода 1 и он автоматически подвигается к обрабатываемой поверхности 3, при этом опять же обеспечивается необходимый для электроразряда зазор. Дополнительно обеспечиваемое вращение или вибрация электрода позволяет снять с колонны оксидные пленки, которыми она покрыта, и войти электроду в заколонный цемент. Изоляция боковой поверхности электрода обеспечивает вхождение электрода в заколонный цемент до прекращения эрозии колонны, т.е. когда в ней полностью образовалось отверстие.
Возможность промышленного применения заявленного технического решения подтверждается известными и описанными в заявке средствами и методами, с помощью которых возможно осуществление изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения. Использование заявленного решения по сравнению со всеми известными средствами аналогичного назначения обеспечивает упрощение конструкции и повышение производительности устройства.