УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОПЕРЕЧНОГО РАЗРЕЗАНИЯ ТРУБ

Полезная модель относится к горному делу, а более конкретно к инструментальной головке для резки обсадных труб в скважинах, и представляет собой газодинамический высокотемпературный резак.
Уровень данной области техники характеризуют резаки, описанные в патентах US №4598769 и №5435394, содержащие протяженный цилиндрический корпус, помещаемый на тросе в трубу, застрявшую в скважине, который имеет огнепередаточное отверстие от запального устройства вверху до выходного сопла снизу. В качестве запального устройства используется пиропатрон, электрически связанный кабелем с источником питания, размещенным на земной поверхности.
Под пиропатроном закреплен канальный заряд горючего материала, смонтированный в насадке с газораспределительной решеткой на выходе, где размещена криволинейная расширяющаяся книзу термостойкая направляющая, которая ориентирует струйные потоки пламени и раскаленных продуктов горения заряда в дисковое сопло, сформированное между нижним торцом корпуса и продольно подвижно смонтированной на нем крышке.
Перемещение крышки происходит автоматически под напором генерируемых газообразных продуктов горения заряда.
Описанные аппараты разрезают трубы, однако, периодически возникают проблемы с засором конденсированной фазой рабочего аэрозоля перфораций распределительной решетки, что заметно меняет газодинамический процесс истечения продуктов горения в насадок и далее к соплу.
Кроме того, разрезание происходит неравномерно по окружности из-за локализации тепловой энергии в выходящих дискретных струях рабочего потока, что требует усилительного горючего заряда или дополнительного механизма вращения инструментальной головки, что сопряжено с техническими проблемами и увеличением капитальных затрат.
Отмеченный недостаток устранен в более совершенном устройстве для поперечного разрезания труб (резаке) по патенту US №6598679 В2, Е21В 29/00, 2003 г., которое по технической сущности и числу совпадающих признаков выбрано в качестве наиболее близкого аналога предложенному резаку.
Известное устройство для поперечного разрезания труб включает размещенные в цилиндрическом корпусе электрически связанный с наземным источником тока пиропатрон, примыкающий к канальному заряду из набора термических шашек, установленному в насадке с коническим экраном, направляющим газообразные раскаленные (с температурой выше 2000°С) продукты горения заряда на периферию, к перфорациям газораспределительной решетки.
Газораспределительная решетка коммутируется с ресивером, в котором происходит турбулизация струй, сопровождающаяся перемешиванием генерированных газообразных продуктов горения термического заряда, выравнивание температуры и давления.
Далее рабочая смесь поступает в расширительную камеру и сдвигает крышку относительно корпуса, в результате чего формируется кольцевой зазор между их торцами, через который высокотемпературная рабочая смесь с равномерным распределением в объеме тепловой энергии динамично выбрасывается дисковым поперечным потоком к разрезаемой трубе.
Температурно нагруженные элементы конструкции(экранирующий конус, коммуникационные трубки газораспределительной решетки, криволинейная направляющая) выполнены из пирографита, термостойкими.
Газораспределительная решетка совмещена с центральным штырем, на котором установлена криволинейная направляющая для отклонения аэрозольного рабочего потока на выход, к дисковому соплу, и который вкручен в концевую ось, несущую массивный якорь для погружения в наполняющую обсадочную трубу пульпу.
Концевая ось служит опорой и направляющей продольного перемещения крышки при сдвиге напором рабочего потока.
Особенностью этого устройства является наполнение осевого канала термического заряда порошковым гранулированным горючим для повышения надежности его воспламенения и горения по всей поверхности.
Однако продолжением отмеченных достоинств известного устройства являются присущие недостатки, так при прогрессивном горении канального заряда изнутри и снаружи (в зазоре с корпусом), в результате чего резко повышается давление, вынуждая увеличивать толщину стенки корпуса вовнутрь, при ограничении снаружи диаметров обсадной трубы. В результате, сохраняя заданную массу заряда, заметно увеличилась высота резака.
Для повышения эффективности локализованной по окружности термической нагрузки на стенку разрезаемой трубы целесообразно контролировать толщину дискового газообразного потока из кольцевого сопла, высота которого не ограничена.
Как показала практика самопроизвольное погружение резака в вязкую пульпу внутри обсадной трубы на заданную рабочую отметку затруднительно и занимает продолжительное время, заметно тормозя процесс в целом.
Технической задачей, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является повышение функциональной надежности и эффективности поперечного разрезания обсадных труб, застрявших на глубине стволовой скважины.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном устройстве для поперечного разрезания труб, содержащем цилиндрический корпус, где последовательно смонтированы пиропатрон, связанный кабелем с источником тока на земной поверхности, пиротехнический заряд, осевой канал которого наполнен воспламенительным порошком, выполненный из набора плотно прилегающих шашек термитного состава и установленный на экранирующем насадке с распределенными по периферии сквозными каналами, совмещенными с термостойкими трубками газораспределительной решетки коммуникации с ресивером, сообщающимся с расширительной камерой в продольно подвижной крышке, геометрически замкнутой с корпусом, при этом газораспределительная решетка оснащена монтажным штырем, жестко связанным с выходной осью, на котором установлена криволинейная направляющая под торец корпуса в стыке с крышкой, по предложению авторов, шашки пиротехнического заряда размещены в корпусе беззазорно, а на выходной оси закреплены ограничитель позиционирования крышки смонтированный с возможностью продольного перемещения, и грузовой якорь, имеющий коническую форму.
Другой особенностью резака является то, что в качестве воспламенительного порошка наполнителя осевого канала использован металл из ряда магний, алюминий, железо.
Отличительные признаки предложенного технического решения повысили функциональную надежность эффективного действия резака по назначению, обеспечив тонкое регулирование качества и производительности реза.
Беззазорная установка в трубчатом несущем корпусе продольного набора канальных шашек термитного заряда их последовательным уплотнением упрощает технологию качественной сборки, обеспечивая радиальное горение канального заряда изнутри со стабильным газовыходом, чем предотвращается предельная пиковая термическая нагрузка на корпус, исключив тем самым потерю несущей прочности корпуса в течение рабочего цикла и возможные его прогары, что позволяет выполнять протяженный корпус из из обычных конструкционных сталей взамен дорогостоящих термостойких материалов по прототипу.
Размещение на выходной оси резака ограничителя, выполненного в форме резьбовой гайки, с возможностью заданного позиционирования относительно корпуса, обеспечивает регулирование величины хода крышки под напором генерируемых газообразных продуктов горения термического наполнения, чтобы автоматически выставить функциональный дисковый зазор для выхода высокотемпературной динамической струит для требуемого мерного реза обсадной трубы.
Выполнение грузового якоря, который установлен на дистальном конце выходной оси, в форме конуса обусловлено необходимостью обязательного заглубления в вязкотекущую среду грунтовой пульпы, заполняющую обсадную трубу, заклинив ее на глубине бурения, чтобы сформировать кольцевой рабочий зазор между корпусом и крышкой для выхода высокотемпературной дисковой струи на заданном уровне реза.. Это обеспечивается кратным уменьшением площади опоры инструмента на вершине конуса, когда развивается адекватное повышение давления, в результате чего якорь по конической поверхности плавно погружается в вязкую среду.
Использование в качестве воспламенительного порошка термического наполнителя осевого канала т металл из ряда магний, алюминий, железо, димой для тонкой настройки высоты рабочего зазора между торцами корпуса и крышки, чем, конечном счете, формируется дисковая газодинамическая струя локального высокотемпературного действия на отрезаемую трубу.
Оснащение выходной оси инструментальной головки якорем конической формы направлено на практически беспрепятственное ее погружение в жидкость и пульпу, как правило, заполняющих скважину.
Использование для усиления воспламенительного импульса в качестве наполнителя канального термитного заряда теплотворных металлов: магния, алюминия, железа - определено их чувствительностью к воспламенению, стабильным горением с большим выделением тепловой энергии, доступностью и технологическими свойствами, в заявленном порядке предпочтения.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для решения поставленной технической задачи в изобретении, то есть при этом достигается новизна качества не как сумма эффектов, а в форме нового сверхэффекта суммы признаков.
Сущность предложенного технического решения поясняется чертежом, где изображен газодинамический резак в продольном разрезе. Чертеж имеет чисто иллюстративное назначение и не ограничивает объема притязаний совокупности признаков формулы.
В цилиндрическом корпусе 1, который помещают в разрезаемую обсадную трубу, последовательно установлены пиропатрон 2, кабелем 3 электрически связанный с источником тока на земной поверхности (условно не показано), и примыкающий к канальному термитному заряду, выполненному из беззазорно примыкающих между собой кольцевых шашек 4, запрессованных в корпус 1.
Центральный канал 5 термитного заряда заполнен порошковым горючим 6 из ряда металлов: магний, алюминий, железо, магний -предпочтительно.
Заряд шашек 4 установлен в насадке 7 с коническим экраном 8 из термостойкого материала, снабженным распределенным по периферии сквозными отверстиями 9, коаксиально совмещенными с термостойкими трубками 10 газораспределительной решетки 11, установленной на опоре 12, полость которой формообразует ресивер 13.
Опора 12 снабжена отверстиями 14 коммуникации газораспределительной решетки 11 с ресивером 13.
Газораспределительная решетка 11 совмещена с монтажным осевым штырем 15, жестко связанным с коаксиально смонтированной через уплотнения в корпусе 1 выходной осью 16, на которой с возможностью относительного продольного перемещения установлена трубчатая крышка 17 с расширительной камерой 18.
Торец крышки 17 геометрически замкнут с торцом корпуса 1 в функциональное единство в служебном обращении.
На штыре 15, с упором на выходную ось 16, закреплена криволинейная расширяющаяся книзу направляющая 19, выполненная из пирографита.
На выходной оси 16 установлен с возможностью продольного перемещения ограничитель 20, выполненный в форме резьбовой гайки, а на дистальном конце выходной оси 16 навинчен грузовой якорь 21 конической формы.
Функционирует предложенный резак следующим образом.
Описанная инструментальная головка посредством конического якоря 21 беспрепятственно погружается в жидкость и пульпу, наполняющих обсадную трубу, на заданную по глубине отметку, которая расположена несколько выше места заклинивания трубы.
Для запуска резака в работу электрический импульс от источника тока подают по кабелю 3 на пиропатрон 2, при срабатывании которого формируется мощный огневой форс, поджигающий с торца примыкающую термическую шашку 4 и чувствительное к тепловому импульсу порошковое наполнение 6 центрального канала 5, которое активно горит и поджигает при этом шашки 4 изнутри.
При горении термических шашек 4 генерируется большое количество газообразных продуктов в виде аэрозоля, твердые частицы конденсированной фазы которого раскаляется до температуры выше (2000-2500)°С.
Генерируемый аэрозоль коническим экраном 8 отклоняются на периферию, распределяя по каналам 9. Далее аэрозольгорячие по трубкам 10 газораспределительной решетки 11 и через соосные отверстия 14 в опоре 12 струйно выбрасывается в ресивер 13.
В ресивере 13 газообразные продукты горения расширяются и перемешиваются, давление и температура которых выравнивается, где на выходе они по криволинейной направляющей 18 смещаются к периферии, в камеру 19 расширения крышки 17.
Под напором рабочего аэрозоля крышка 17 продольно сдвигается относительно корпуса 1 до упора в ограничитель 20, предварительно установленный в заданное расчетами положение по высоте
При этом между торцами примыкания крышки 17 и корпуса 1 образуется кольцевой зазор (сопло), через который рабочий аэрозоль устремляется в поперечном направлении в форме дискового высокотемпературного потока, локально по окружности разогревая преграждающую стенку трубы, раскаляя ее материал до температуры, выше пластической деформации, в результате чего в поясе обработки труба теряет механическую прочность и устойчивость, поэтому легко верхняя часть отделяется от застрявшей в скважине.
Положительные результаты испытаний макетного образца предложенного резака позволяют рекомендовать изготовление промышленного образца для расширенных натурных испытаний, с целью дальнейшего серийного производства устройства по настоящей полезной модели.
Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков полезной модели.
Предложенные отличия газодинамического резака с дисковой высокотермической струей для автоматического поперечного разрезания трубопровода в стволовой скважине не являются очевидными для специалиста по вспомогательным инструментам горного дела, которые прямо не следуют из постановки технической задачи.
Изготовление предложенного резака возможно осуществлять на действующем серийном производстве по разработанной технической документации.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии полезной модели условиям патентоспособности.