ПЕРФОРАТОР ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЩЕЛЕВОЙ
SLIT HYDRO-MECHANIC PERFORATOR

Изобретение относится к устройствам для создания продольных щелей в стенке обсадной трубы и создания полости в продуктивном пласте-коллекторе за обсадной колонной скважины с целью оптимизации и/или интенсификации притока и добычи флюида преимущественно жидких углеводородов, то есть нефти.
Уровень техники по данному направлению характеризуется целым рядом технических решений, известных из патентной документации: SU 1668640 А1 07.08.91; SU 1789674 A1 23.01.93; SU 2043486 C1 10.09.96; SU 2151858 E21B 43/114 2000; RU 2007549 C1 16.02.94; RU 2030563 C1 10.03.95; RU 2038527 C1 27.06.96; RU 2039220 C1 09.07.95; RU 2070279 C1 10.12.96; RU 2070958 C1 27.12.96; RU 2087683 C1 20.08.97; RU 2105137 C1 20.02.98; RU 2129209 C1 20.04.99; RU 2151858 C1 07.12.98; RU 2161697 C2 07.04.99; RU 2180038 C2 22.05.00; RU 2182221 C1 11.04.01; RU 2232876 C1 17.12.02; RU 2247226 C1 15.08.03; RU 2249678 C2 16.06.03; RU 2256066 C2 12.09.03; US 4106561 A 15.08.78; US 4119151 A 10.10.78; US 4220201 A 02.09.80; US 4392527 A 12.07.83; US 4557331 A 10.12.85, причем изначальным мотивом создания и совершенствования устройств и способов подобной перфорации обсадных колонн скважин послужила общеизвестная в металлообработке так называемая «накатка» на поверхности металла более прочными и твердыми роликами (или дисками) рисок или канавок определенной формы и глубины за счет пластической деформации, то есть без снятия металла. Однако при приложении значительных усилий прижатия накатного элемента (ролика или диска с острой кромкой) пластическая деформация металла заканчивается разрушением подвергаемого накатке металлического листа или отрезка трубы по траектории канавки. Этот общеизвестный эффект разрушения трубы, сначала в режиме пластической деформации металла под накатным элементом, а затем в режиме локального разрыва стенки, появления трещины и образования, в итоге, продольной щели на современном этапе развития техники и технологии работ по интенсификации притока признан наиболее эффективным как при освоении впервые вводимой в эксплуатацию скважины, так и при вторичных методах интенсификации добычи нефти из длительно эксплуатируемого фонда скважин.
Следует отметить, что все аналоги заявляемого устройства содержат, как правило, полый корпус, накатной элемент (ролик/диск), механизм перемещения накатного элемента из транспортного положения в рабочее и обратно, механизм нагружения накатного элемента для его вдавливания в стенку трубы при возвратно-поступательных перемещениях перфоратора в обсадной колонне, а также гидравлически сообщаемую с полым корпусом гидромониторную насадку, ориентированную каналом по плоскости рабочей кромки накатного элемента вниз под острым углом. Доставка в скважину, приведение в рабочее положение и последующее, после работы, извлечение устройства обратно производится на колонне (сборке) насосно-компрессорных труб (НКТ); по ним же от наземного насосного агрегата высокого давления (порядка десятков МПа) осуществляются: силовое нагружение накатного элемента, штатная циркуляция промывочного агента и обеспечение соответствующего режима истечения последнего из гидромониторной насадки устройства при размыве цементного камня и породы продуктивного пласта за обсадной колонной.
К недостаткам известных технических решений-аналогов должно отнести такие, как, например, недостаточная работоспособность в связи с наличием только одного накатного диска в изделии (патенты РФ 2151858, 2161697, 2180038, 2182221, 2232876); гидромониторные насадки не обеспечивают эффективное разрушение породы за обсадной колонной из-за нерационального их размещения (патенты РФ 2161697, 2180038, 2182221, 2232876, 2247226); конструктивное взаиморасположение (компоновка) узлов и элементов устройства (патенты РФ 2180038, 2247226) не обеспечивает оптимальных параметров накатных дисков, которые должны быть по диаметру практически равны диаметру корпуса, а по толщине рабочей части, внедряемой в тело обсадной трубы, не более 10-15 мм. Кроме того, практически все известные устройства являются устройствами одноразового использования и, после извлечения, идут или в утилизацию (металлолом), или подвергаются подетальней дефектоскопии и переборке в специализированном подразделении соответствующего сервисного центра для исключения производственных рисков и проведения в дальнейшем каких-либо дополнительных и/или дублирующих операций в скважине. Все изложенное связано, соответственно, со значительными материальными затратами и потерей времени, то есть в конечном итоге со снижением конкурентоспособности пользователя.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков и функциональному предназначению является устройство (RU 2249678 С2 16.06.03), содержащее полый корпус с продольным по диаметральной плоскости вырезом-окном, коромысло с поперечной корпусу осью, два накатных диска, по одному, соответственно, в каждом из концов коромысла, причем последнее состоит из двух взаимопараллельных и скрепленных пластин, между которыми на осях размещены накатные диски. В полом корпусе размещен силовой механизм для выдвижения (поворотом коромысла вокруг оси на некоторый угол) и контакта накатных дисков с обсадной колонной, вдавливания рабочих кромок последних в обсадную трубу в зоне перфорации и для возврата коромысла с накатными дисками в штатное транспортное положение вдоль корпуса. Этот механизм состоит из соосного корпусу поршня со штоком, оканчивающимся в вырезе-окне корпуса клиновидным вилкообразным элементом, охватывающим верхний накатный диск, а клиновой поверхностью контактирующий с концевой частью коромысла. Шток этого механизма имеет центральный канал с седлом под сбрасываемый с поверхности запорный шар, а также две гидромониторные насадки, сообщенные, каждая, своим каналом в теле штока с надпоршневой частью полости корпуса. Корпус, соответственно, снабжен присоединительной резьбой для подвешивания перфоратора на колонне НКТ, а его полость сообщена при этом с полостью колонны.
К недостаткам известного перфоратора можно отнести невозможность одинаково эффективной одновременной работы гидромониторных насадок ввиду влияния множества факторов, как конструктивных, так и технологических, включая и тот, что накатные диски накатывают щели со смещением одной от другой по высоте обсадной трубы, по меньшей мере, на межосевой размер коромысла между дисками. К недостаткам можно отнести и то, что не решена задача эффективной стабилизации перфоратора в начальной стадии его работы, и, тем более, надежного позиционирования корпуса при гидромониторной стадии перфорации обсадной колонны; а также неэффективное удаление продуктов гидромониторного разрушения из-под накатных дисков; анализ геометрических форм узлов и деталей перфоратора, их взаимосвязей и конкретного исполнения допускает дальнейшую их оптимизацию, то есть возможность существенного улучшения потребительских свойств известного устройства не исчерпана.
Технической задачей, то есть требуемым техническим результатом предлагаемого устройства, является повышение потребительских свойств известной конструкции путем оптимизации его узлов и деталей, их взаимосвязей, повышение надежности работы и удобства эксплуатации.
Поставленная задача решена тем, что в известном перфораторе, содержащем полый корпус с двумя поршнями в верхней части корпуса, с центральным каналом, выполненным в теле каждого, и жестко соединенными трубчатым элементом с радиальными каналами над нижним поршнем, продольное окно в нижней части корпуса, коромысло с поперечной корпусу осью, размещенное в этом окне, два накатных диска, по одному, соответственно, в каждом из концов коромысла, механизм перемещения коромысла с накатными дисками в рабочее положение на штатную угловую величину «γ» относительно геометрической 0-0 оси корпуса, выполненный в виде клинового вилкообразного толкателя (для коромысла) на выступающем в окно корпуса торце нижнего поршня с обеспечением взаимного беззазорного касания/контакта клиновой поверхности толкателя с верхним концом коромысла по обе стороны верхнего накатного доска, механизм возвратного перемещения коромысла в исходное продольное, по геометрической оси корпуса, положение в окне, две гидромониторные насадки в теле нижнего поршня, гидравлически сообщенные посредством каналов с надпоршневыми полостями корпуса, посадочные седла - под сбрасываемые с наземной поверхности запорные шары - в корпусе и в центральном канале нижнего поршня, пружины цилиндрической навивки, как часть механизма возвратного перемещения коромысла, размещенные между корпусом и поршнями, коромысло выполнено в виде параллелограмма, малая диагональ которого соразмерима с диаметрами накатных дисков и корпуса, центральная ось коромысла размещена на пересечении его диагоналей, центры осей обоих накатных дисков размещены на большой диагонали, причем поверхности концов коромысла коаксиальны осям дисков и плавно сопряжены со сторонами параллелограмма, механизм возвратного перемещения коромысла выполнен в виде двух параллельных друг другу возвратных пластин, расположенных подвижно в корпусе по разные стороны коромысла, в каждой из возвратных пластин выполнены косой паз под соответствующий конец оси верхнего накатного диска и продольная прорезь под ось коромысла на величину перемещения Δh клинового вилкообразного толкателя этого коромысла, при этом возвратные пластины размещены и закреплены концами по обе стороны клинового вилкообразного толкателя параллельно диаметральной плоскости размещения коромысла в корпусе, две, как минимум, пружины сжатия этого механизма расположены в корпусе под верхним поршнем коаксиально друг другу и выполнены с разнонаправленной навивкой, под окном корпуса в теле последнего размещены бочкообразные опорные ролики и выполнен канал для беспрепятственного оседания продуктов перфорации на забой скважины.
Существенным дополнительным отличием предлагаемой конструкции является то, что боковые поверхности каждого из накатных дисков в пределах их рабочей перфорирующей части выполнены в виде торцевой фрезы с радиально ориентированным чередованием вооружения и канавок.
Еще одним существенным дополнительным отличием предлагаемой конструкции является то, что в центральном канале нижнего поршня выполнено дополнительное посадочное седло под сбрасываемый сверху запорный элемент/шар с диаметром, большим, чем диаметр меньшего седла, которое размещено под отводным каналом одной гидромониторной насадки, большее седло размещено выше этого отводного канала, а канал второй гидромониторной насадки выполнен в теле поршня параллельно центральному каналу и в нем установлена, под гидромониторной насадкой, заглушка в виде, например, так называемой «хлопающей» мембраны, управляемо разрушаемая под действием кратковременного импульса давления определенной, заранее заданной, величины.
Сопоставительный анализ предлагаемого перфоратора, как совокупности существенных признаков (в том числе и отличительных), с решениями, известными из нормативно-технической и патентной документации, позволяет утверждать, что объект соответствует всем критериям изобретения, в том числе критериям «новизна» и «неочевидность».
На чертежах материалах приведены, соответственно, на фигуре 1 - общий вид перфоратора, продольный разрез по диаметральной плоскости, с исходным (транспортным) положением накатных дисков; на фигуре 2 - то же, но с положением накатных дисков перфоратора в конце процесса формирования щелей в обсадной колонне; на фигуре 3 - фрагмент коромысла по А-А с верхним накатным диском и осью последнего с выступающими за коромысло концами, размещенными в косых пазах возвратных пластин; на фигуре 4 - фрагмент нижнего поршня (вид Б по фигуре 2) с каналом, закрытым заглушкой, и гидромониторной насадкой на выходе; на фигуре 5 (для справки) - вид диаграммы записи индикатора веса (а) и диаграммы записи давления закачки (б) жидкости при работе перфоратора и наземных агрегатов в режиме реального времени.
Перфоратор (см. фиг.1 и 2) состоит из полого корпуса 1 с двумя поршнями 2 и 3 в верхней части корпуса, с центральным каналом 4, выполненным в теле каждого. Поршни 2 и 3 жестко соединены трубчатым элементом 5 с радиальными каналами 6 над нижним поршнем. В нижней части корпуса выполнено продольное окно 7, в котором размещено коромысло 8 с поперечной корпусу осью 9. В каждом из концов коромысла 8 размещены по одному, соответственно, два накатных диска 10 и 11. Перфоратор содержит механизм перемещения коромысла с накатными дисками, выполненный в виде клинового вилкообразного толкателя 12 для перевода их в рабочее положение, на штатную угловую величину «γ» относительно геометрической оси 0-0 корпуса 1 и механизм возвратного перемещения коромысла в исходное, продольное по геометрической оси 0-0 корпуса 1, положение в окне 7 корпуса. Клиновая поверхность 13 толкателя 12 на выступающем в окно 7 корпуса торце нижнего поршня 3 выполнена с обеспечением взаимного беззазорного касания/контакта клиновой поверхности толкателя с верхним концом коромысла по обе стороны верхнего накатного диска (см. фиг.1 и 2 точка К). Перфоратор содержит также две гидромониторные насадки 14 и 15 в теле нижнего поршня 3, гидравлически сообщенные посредством каналов 16 и 17 с надпоршневыми полостями корпуса, посадочные седла 18, 19 и 20 под сбрасываемые с наземной поверхности шары (посадочное седло 18 размещено в верхней части корпуса, а седла 19 и 20 - в центральном канале 4 нижнего поршня 3). Под верхним поршнем размещены, как минимум, две пружины сжатия 21, 22 цилиндрической навивки, являющиеся частью механизма возвратного перемещения коромысла. Коромысло выполнено в виде параллелограмма, высота «Н» которого соразмерна, то есть примерно одинакова, с диаметрами накатных дисков и диаметром корпуса, центральная ось коромысла размещена на пересечении его диагоналей, центры осей обоих накатных дисков размещены на большой диагонали, причем поверхности концов коромысла коаксиальны осям дисков и плавно сопряжены со сторонами параллелограмма, механизм возвратного перемещения коромысла выполнен в виде двух параллельных друг другу возвратных пластин 23 и 24, расположенных подвижно в корпусе по разные стороны коромысла, в каждой из возвратных пластин выполнены косой паз 25, под соответствующий конец оси 26 верхнего накатного диска 10 и продольная прорезь 27 под ось коромысла 9 на величину перемещения Δh клинового вилкообразного толкателя 12 этого коромысла. Возвратные пластины 23 и 24 размещены и закреплены концами по обе стороны коромысла на клиновом вилкообразном толкателе 12 параллельно диаметральной плоскости размещения коромысла в корпусе. Под окном 7 корпуса в теле последнего размещены бочкообразные опорные ролики 28 и 29 и выполнен канал 30 для беспрепятственного оседания продуктов перфорации на забой скважины. Боковые поверхности каждого из накатных дисков 10 и 11 в пределах их рабочей перфорирующей части выполнены в виде торцевой фрезы с радиально ориентированным чередованием вооружения и канавок (см. фиг.3, эти поверхности изображены, но отдельными позициями не обозначены). В центральном канале 4 нижнего поршня 3 выполнено, помимо основного седла 19, дополнительное посадочное седло 20 под сбрасываемый сверху запорный элемент/шар с диаметром, большим, чем диаметр меньшего седла 19, которое размещено под отводным каналом 16 одной гидромониторной насадки 14, большее седло 20 размещено выше этого отводного канала 16, а канал 17 второй гидромониторной насадки 15 выполнен в теле поршня 3 параллельно центральному каналу 4. В канале 17 установлена, под гидромониторной насадкой 15, заглушка 31 в виде, например, хлопающей мембраны, управляемо разрушаемая под действием кратковременного импульса давления от наземного агрегата определенной, заранее заданной, величины. Отметим, что заявленный перфоратор может быть снабжен в верхней его части центратором (поз. 32 на фиг.1 и 2) радиально-реберного типа, но этот центратор (один или несколько) может быть и в составе (колонны НКТ).
Перфоратор работает следующим образом. Подвешенный, посредством соединительной резьбы корпуса на нижнюю трубу колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), перфоратор размещают в зоне перфорируемой обсадной трубы скважины. Поскольку на обоих концах перфоратора имеются центрирующие элементы (вверху, например, радиально-реберного типа, а внизу - бочкообразные ролики), то перфоратор позиционируется практически коаксиально обсадной трубе с незначительным зазором/люфтом. Осуществляют прямую промывку/циркуляцию по стволу через центральный канал перфоратора, при этом противодействие пружин сжатия удерживает оба поршня и клиновой вилкообразный толкатель от осевого перемещения вниз, так как гидравлическое сопротивление центрального канала перфоратора недостаточно по величине. Для вывода накатных дисков из окна корпуса в рабочее положение центральный канал перфоратора перекрывают первым сбрасываемым запорным шариком, который садится в седло, выполненное в центральном канале нижнего поршня под отводным каналом одной из гидромониторных насадок (см. фиг.2). При закрытом центральном канале увеличивают подводимую к перфоратору гидравлическую энергию, и коромысло под силовым воздействием клинового вилкообразного толкателя опускающихся в корпусе поршней выводит накатные диски из окна до контакта их рабочих кромок с перфорируемой трубой и нагружает диски нормальным к стенке обсадной трубы усилием вдавливания. Накатные диски начинают формировать две диаметрально противоположные щели при возвратно-поступательных перемещениях колонны НКТ, при этом процесс перфорации характеризуется стабильностью нагрузки на диски в пределах установленных режима подачи гидравлической энергии к перфоратору и режима его возвратно-поступательных перемещений, характеризуемого их амплитудой, скоростью движения и тягового усилия на крюке наземного агрегата. Факт состоявшегося выхода дисков перфоратора за пределы обсадной колонны, то есть факт образования щелей, достоверно и однозначно регистрируется диаграммой записи давления закачки жидкости и диаграммой записи усилия на подвеске колонны НКТ в режиме реального времени. Дополнительной особенностью заявленного перфоратора является возможность поочередного включения в работу какой-либо из двух гидромониторных насадок; эта возможность, несмотря на некоторое увеличение общей длительности процесса перфорации, значительно повышает эффективность создания заколонной каверны/полости в продуктивном пласте. Ситуация обусловлена тем, что обеспечить одинаковую по эффективности работу обеих гидромониторных насадок, причем одновременно, нереально (общеизвестно множество факторов и/или причин, объективно препятствующих этому, таких как неточность изготовления и неодинаковость их конфигурации, качество выполнения каналов и их геометрия, взаиморасположение насадок и их пространственная ориентация относительно корпуса и т.д. и т.п.), а одновременность работы насадок требует еще и большей гидравлической мощности наземного агрегата. Жесткое позиционирование перфоратора в колонне обеспечивает безусловный и практически одновременный выход обоих накатных дисков в созданные ими щели, а особенности конструкции коромысла однозначно ограничивают необходимую и достаточную (то есть штатную) величину выхода накатных дисков. При гидромониторном разрушении породы за колонной накатные диски выполняют две функции: одна из которых - позиционировать гидромониторные насадки строго по щели в обсадной трубе, а другая - дополнительная очистка и зачистка щели и кромки этой трубы боковыми фрезерующими участками. После гидромониторной обработки одной щели сбрасывают в НКТ второй запорный шар, несколько больший по диаметру, чем первый, и запирают выполненное в центральном канале нижнего поршня дополнительное посадочное седло. Поскольку это седло размещено над отводным каналом работавшей до этого гидромониторной насадки, то последняя прекращает работу, а в работу вступает вторая гидромониторная насадка, канал которой еще до спуска перфоратора в скважину при подготовке его к работе перекрывают предохранительной разрушаемой заглушкой, которая срабатывает под действием импульса давления определенной величины, а импульс создают форсированием работы наземного насосного агрегата сразу же после сбрасывания второго шара. Закрытие центрального канала вторым запорным шаром и включение в работу второй гидромониторной насадки фиксируется кратковременным пиком на диаграмме записи давления закачки жидкости в НКТ (см. фиг.5 «б»). Перемещением перфоратора по стволу осуществляют гидромониторное разрушение цементного камня и горной породы за второй щелью, после чего снимают избыточное давление в колонне НКТ, расхаживают последнюю до возвращения коромысла с накатными дисками в их транспортное положение в корпусе перфоратора, что легко отслеживается по показаниям индикатора веса на крюке наземного агрегата (см. фиг.5 «а»). Далее следует извлечение колонны НКТ из скважины, диагностика состояния узлов и элементов перфоратора и подготовка последнего к дальнейшей эксплуатации.
Конкретным вариантом реализации перфоратора может служить разработанная заявителем конструкция со следующими параметрами (на примере устройства для работы в обсадной колонне из труб диаметром 146 мм по ГОСТ 632-80):
- накатные диски, диаметр, мм - 110;
- коромысло, геометрическая форма - параллелограмм, со скругленными по радиусу остроугольными концами, причем размер высоты «Н» коромысла соизмерим, то есть приблизительно равен диаметру накатного диска;
- гидромониторная насадка, материал - высокотвердый монолитный, например, из группы карбидов, нитридов и/или их композиций;
- рабочий угол толкателя - 25°±30°;
- высота накатного диска - 10 мм;
- рабочий угол наклонного диска - двухступенчатый;
- диаметр канала гидромониторной насадки - 4,2 мм.