ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЗОНДОВЫЙ ПЕРФОРАТОР
HYDRAULIC PROBING PERFORATOR

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для получения глубоких перфорационных каналов в открытом продуктивном пласте.
Известен гидравлический зондовый перфоратор (см. а.с. №916744, Мкл. Е21В 43/114, заявл. 28.11.1980 г., заявка №321036/22-03, опубликован 30.03.1982 г., БИ №12.
Перфоратор состоит из корпуса, связанного с гидроцилиндром с тормозным поршнем внутри, регулятора движения зонда с насадкой на конце и разделительной перегородкой с жиклером. Зонд пропущен через разделительную перегородку с выходом в повторно-направляющий канал корпуса. На внешней стороне корпуса выполнен паз, в котором на пальце установлен пробойник с опорой на внешнюю поверхность силового поршня с осевым каналом, который образует с корпусом герметичную камеру и подвижное соединение с нижним концом поворотно-направляющего канала. Ход силового поршня в цилиндрической расточке корпуса ограничен стопорным кольцом.
На нижнем конце корпуса установлен мультипликатор, камера высокого давления которого связана каналом с герметичной камерой над силовым поршнем, а камера низкого давления соединена трубкой с внутренней полостью гидроцилиндра над тормозным поршнем.
Полость гидроцилиндра под разделительной перегородкой свободно сообщается с внешней средой - полостью обсадной колонны. Гидроцилиндр через переходник соединен с лифтовой колонной труб.
Спускают и устанавливают устройство на заданной глубине. Затем осуществляют подачу под давлением рабочей жидкости, откуда она подается к насадке зонда.
В камере высокого давления мультипликатора создается повышенное давление, достаточное для необходимого осевого усилия на силовом поршне, который перемещается в цилиндрической расточке корпуса и взаимодействует с пробойником с поворотом его на пальце и входом во взаимодействие с телом обсадной колонны. При расчетном осевом усилии пробойник внедряется в материал обсадной колонны с ее разрушением в месте контакта и образованием перфорационного канала, в который с регулируемой скоростью вводится зонд с насадкой на конце. Рабочая жидкость под давлением истекает из насадки с воздействием кинетической струей на горную породу и образованием перфорационного канала. Скорость перемещения зонда регулируется расходом жидкости через жиклер из-под тормозного поршня в полость гидроцилиндра под разделительной перегородкой и далее в скважину.
Возврат зонда с насадкой в исходное положение осуществляется путем подачи под давлением рабочей жидкости в межтрубное пространство с подачей через радиальное отверстие в теле гидроцилиндра в полость над разделительной перегородкой, откуда с регулируемым расходом через жиклер подается под тормозной поршень.
Тем самым зонд с насадкой извлекаются из перфорационного канала и по поворотно-направляющему каналу вводится внутрь устройства.
Осевым перемещением лифтовой колонны труб зондовый перфоратор устанавливают на новом месте.
При подъеме устройства пробойник взаимодействует с отогнутым язычком металла в теле обсадной колонны, проворачивается на пальце и вводит силовой поршень в цилиндрическую расточку корпуса. Этим же действием поршень мультипликатора также возвращается в исходное положение.
К недостаткам конструкции следует отнести:
- в случае остановки зонда с насадкой в перфорационном канале и продолжения перемещения тормозного поршня возможна деформация и даже поломка зонда;
- проблематичен возврат зонда с насадкой в исходное положение за счет создания избыточного давления в межтрубном пространстве и перемещения вверх тормозного поршня;
- отсутствует сигнал о возврате зонда в исходное положение.
Известна конструкция устройства для гидроперфорации скважин, (см. а.с. №1051237, Мкл. Е21В 43/114, опубл. 30.10.1983 г., Бюл. №40.
Устройство состоит из корпуса, внутри которого размещен с возможностью осевого перемещения полый шток с трубкой и насадкой, подпружиненной дифференциальной втулкой с фиксатором. Муфта связана с разгрузочной камерой. Под муфтой установлен поршень, над которым находится полость, заполненная жидкостью.
В нижней части корпуса выполнено калиброванное отверстие. В самой муфте выполнены радиальный канал, сообщающий полость насосно-компрессорных труб с затрубным пространством. Вертикальный канал, выполненный в теле муфты, сообщает полость насосно-компрессорной трубы с надпоршневой полостью. Через осевое отверстие муфты проходит полый шток, жестко связанный с трубкой, размещенной в отклонителе и снабженной насадкой. На лифтовой колонне труб устройство вводится в скважину с размещением в интервале продуктивного пласта и подачей под давлением гидроабразивной жидкости. При расчетном давлении, которое определяется по сохранению на месте установки дифференциальной втулки на фиксаторе, последняя остается в верхнем положении, перекрывая доступ жидкости в разгрузочную камеру. При этом вертикальный канал в муфте открыт. Рабочая жидкость воздействует на поршень под расчетным давлением с передачей в подпоршневую полость.
Вследствие того что в разгрузочной камере давление ниже, равнодействующая сил на полом штоке направлена вверх, что препятствует выдвижению трубки из отклонителя. При переходе на большее давление дифференциальная втулка снимается с фиксатора и перемещается вниз с открытием подачи жидкости в разгрузочную камеру с перекрытием сечения вертикального канала и сжатием пружины.
Рабочая жидкость поступает в полый шток и далее в через трубку к насадке с воздействием струей на преграду. На верхний конец полого штока воздействует перепад давления с направлением вниз. В надпоршневой полости давление равно гидростатическому. При этом полый шток движется вниз с перемещением трубки в пласт. Жидкость в подпоршневой полости через калиброванное отверстие выбрасывается в затрубное пространство. При достижении верхнего конца полого штока радиального канала в муфте происходит резкий сброс прокачиваемой рабочей жидкости в затрубное пространство и снижение давления. При этом снижается нагрузка на дифференциальную втулку, которая усилием пружины возвращается в исходное положение. Также прекращается доступ жидкости в разгрузочную камеру и открывается вертикальный канал. Вновь поднимают давление нагнетания до расчетного с сохранением дифференциальной втулки на фиксаторе. Поршень перемещается вниз, а жидкость в надпоршневой полости выдавливает полый поршень вверх в разгрузочную камеру с возвратом трубки с насадкой в исходное положение.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- применение рабочей жидкости с абразивом снижает резко надежность работы устройства, поскольку она попадает внутрь устройства с накоплением и негативным воздействием на сопрягаемые детали;
- перемещение трубки с насадкой в канале отклонителя за счет воздействия перепада давления на полый шток не может быть в полной мере выполнено, поскольку при остановке перемещения трубки с насадкой внутри перфорационного канала не может произойти образование гидравлической связи полости разгрузочной камеры с затрубным пространством через радиальный канал. Тем самым вызывает сомнение работоспособность устройства в целом;
- при перемещении полого штока с трубкой вниз происходит воздействие столба жидкости над поршнем, что приводит к его перемещению вверх с ростом давления в надпоршневой полости и истечение рабочей жидкости в затрубное пространство, то есть давление в подпоршневой полости не равно гидростатическому и при определенных условиях существует вероятность перемещения поршня до торцового контакта с муфтой и перекрытия сечения калиброванного отверстия. Тем самым существует вероятность прекращения движения полого штока с трубкой в канале отклонителя.
Это означает прекращение работы устройства и срыв процесса перфорации.
Известно устройство для перфорации обсаженной скважины (см. патент №2137915, Мкл. Е21В 43/114, опубликован 20.09.1999 г.), принятый за прототип.
Устройство выполнено в виде цилиндрического корпуса с центральным каналом, обводным каналом, отклонителем и радиальными каналами. В центральный канал введена втулка с наружным конусом, поршнем и боковым каналом. Снаружи на втулке установлен гидроцилиндр с поршнем и клиновыми плашками, взаимодействующими с наружным конусом. Они образуют механизм стопорения.
В корпусе размещен механизм вырезки окна в теле обсадной колонны. Он состоит из двух пар шестерен, шпинделя, винта осевой подачи концевой фрезы, вала, гидродвигателя и реверса. В корпусе над механизмом вырезки окна размещен распорный механизм с гидроцилиндром, поршнем, клином и радиальными упорами. Механизм выдвижения гибкого рукава с гидромониторным соплом через вырезанное в обсадной колонне окно в продуктивный пласт содержит гидроцилиндр, поршень на полом штоке с радиальными отверстиями. Механизм осевого перемещения включает гидроцилиндр с поршнем. Ход поршня коррелирован с расстоянием между осями концевой среды и сопла и расстоянием от нижнего торца втулки до кольцевой канавки. Расстояние между радиальными отверстиями и радиальными каналами равны ходу поршня.
Подача рабочей жидкости под давлением в каждый гидроцилиндр и гидродвигатель через гидравлическую систему с отсекателем и золотниками управления с взаимно тарированными пружинами, обеспечивает автономную и автоматическую работу каждого механизма. При этом существует возможность подачи сигнала на поверхность через жидкость о завершении проведения операции и возвратом механизмов в исходное положение.
К недостаткам конструкции устройства следует отнести:
- сложность конструкции в целом и механизмов управления процессом вырезания окна в обсадной колонне и создания глубокого пефорационного канала;
- практика применения якорящих устройств плашечного типа показывает, что существует вероятность страгивания плашек относительно обсадной колонны, поскольку имеет место многократное изменение условий подачи рабочей жидкости внутрь устройства. При этом имеет место наличие пульсаций давления внутри бурильной колонны труб с соответствующим удлинением-сокращением ее длины. Эти нагрузки воспринимаются якорящим узлом, что и может привести к перемещению на небольшое расстояние корпуса устройства в пределах нескольких миллиметров в тот момент, когда гибкий рукав находится за обсадной колонной;
- при выходе гибкого рукава (зонда) за пределы окна, выполненного в теле трубы обсадной колонны, существуют условия, когда гибкий рукав (зонд) не может перемещаться в перфорационном канале, поскольку при струйном воздействии рабочей жидкости на горную породу продуктивного пласта диаметральные размеры перфорационного канала носят неопределенный характер. В этом случае гибкий рукав не может перемещаться вглубь продуктивного пласта.
При этом согласно конструктивному оформлению устройства осевая нагрузка на гибкий рукав создается за счет наличия перепада давления на поршне, с которым через полый шток связан гибкий рукав. При достаточно большом перепаде давления на поршне существуют условия потери целостности гибкого рукава и отказа устройства в целом, поскольку поршень с полым штоком не могут переместится в крайнее положение, когда возникает гидравлическая связь осевого канала полого штока, через радиальные каналы в теле корпуса с полостью скважины;
- возврат гибкого рукава в исходное положение можно считать проблематичным, поскольку сложно переключить золотники на подачу рабочей жидкости в полость под поршнем, поскольку поршень с полым штоком не находится в крайнем положении.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, сводится к следующему:
- возможность создания глубокого перфорационного канала в открытом пласте при воздействии струи рабочей жидкости, истекающей из насадки зонда с его регулируемым перемещением в поворотно-направляющем и перфорационном каналах;
- возможность автоматического возврата зонда с насадкой из перфорационного канала в исходное положение даже в случае остановки зонда из-за непрофильного размера образованного перфорационного канала без прекращения подачи рабочей жидкости с поверхности в полость устройства;
- возможность автоматического возврата зонда с насадкой из перфорационного канала в исходное положение с исключением возможности воздействия гидравлического удара на конструктивные элементы устройства при переключении его на режим возврата зонда с насадкой в корпус устройства;
- возможность подготовки устройства к повторению процесса создания глубокого перфорационного канала на новом уровне после прекращения подачи под давлением рабочей жидкости в осевой канал лифтовой колонны труб.
Технический результат достигается тем, что гидравлический зондовый перфоратор содержит разъемный корпус с поворотно-направляющим каналом, связанный с гидроцилиндром, снабженным тормозным поршнем, зонд с насадкой и регулятором его движения в поворотно-направляющем канале и сформированном перфорационном канале, обводной канал с дросселем.
Регулятор движения зонда с насадкой выполнен в виде корпуса со ступенчатой расточкой внутри с расположенным в ней подпружиненным ступенчатым золотником, снабженным кольцевым поршнем на наружной поверхности в средней части и торцовым клапаном на нижнем конце, установленного с образованием кольцевой камеры с корпусом, гидравлически связанной дренажным каналом с полостью гидроцилиндра над тормозным поршнем. Полость гидроцилиндра под тормозным поршнем связана обводным каналом через дроссель с полостью над кольцевым поршнем ступенчатого золотника. Тормозной поршень снабжен полым штоком с гайкой в осевом канале, который пропущен в осевой канал разъемного корпуса. Зонд с насадкой снабжен фиксатором на верхнем конце, входящим в осевой канал полого штока и установленным с образованием подвижного соединения с гайкой. Полость гидроцилиндра над тормозным поршнем постоянно гидравлически связана перепускными отверстиями в его теле с осевым каналом полого штока.
В теле ступенчатого золотника выполнена кольцевая расточка и установлена полая тяга со скосом на торце таким образом, что ее верхний конец выходит за пределы ступенчатого золотника. Корпус снабжен ограничителем с подпружиненным седлом шарового клапана, установленным над ступенчатым золотником с возможностью взаимодействия с торцом полой тяги. Кольцевая расточка, выполненная в ступенчатом золотнике, гидравлически связана перепускными отверстиями в его теле с кольцевой камерой, образованной корпусом и телом торцового клапана. Корпус снабжен внутренним кольцевым выступом с седлом на внутренней поверхности и подпружиненным фиксатором, установленным с возможностью взаимодействия с проточкой на стопорном кольце полой тяги в исходном положении. Ограничитель снабжен подпружиненным седлом с продольными пазами на внешней стороне, образующий подвижное соединение с верхним концом ступенчатого золотника. В месте расположения кольцевого выступа корпуса и полой тяги со стопорным кольцом образован кольцевой канал, постоянно гидравлически связанный с полостью гидроцилиндра над тормозным поршнем, подпружиненный фиксатор, установленный в расточке корпуса, снабженного ограничителем хода ступенчатого золотника с подпружиненным седлом под шаровой клапан, опирающимся на торец полой тяги. В теле ступенчатого золотника выполнена кольцевая расточка, связанная перепускными отверстиями в его теле с кольцевой камерой между корпусом и телом торцового клапана. Корпус снабжен внутренним кольцевым выступом с седлом на его внутренней поверхности, обращенным к торцовому клапану на ступенчатом золотнике.
Подпружиненное седло снабжено продольными пазами на внешней стороне, гидравлически связанными через кольцевую камеру с обводным каналом и образует подвижное соединение с верхним концом ступенчатого золотника.
Конструкция устройства для перфорации продуктивного пласта поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 - общий вид гидравлического зондового перфоратора в разрезе в статичном положении деталей;
- на фиг. 2 - конструкция гидравлического зондового перфоратора в положении максимального выхода зонда с насадкой за пределы корпуса при формировании перфорационного канала в продуктивном пласте;
- на фиг. 3 - конструкция устройства в положении возврата зонда с насадкой внутрь корпуса и подготовки устройства к повторению процесса перфорации на новом месте установки.
Гидравлический зондовый перфоратор состоит из разъемного корпуса 1, связанного верхним концом с гидроцилиндром 2, который снабжен узлом управления 3. В полости 4 гидроцилиндра 2 установлен тормозной поршень 5, связанный с полым штоком 6, осевой канал 7 которого снизу перекрыт гайкой 8. В осевой канал 7 полого штока 6 пропущен верхний конец зонда 9 с фиксатором 10, образующий с гайкой 8 подвижное соединение. В разъемном корпусе 1 выполнен поворотно-направляющий канал 11, в котором размещен зонд 9 с насадкой 12 на нижнем конце. Узел управления 3 выполнен в виде корпуса 13, связанного с гидроцилиндром 2.
В корпусе 13 выполнена ступенчатая расточка, в которой размещен ступенчатый золотник 14 с кольцевым поршнем 15, опирающимся на пружину 16.
На нижнем конце ступенчатого золотника 14 выполнен торцовый клапан 17. Ниже места расположения ступенчатой расточки в корпусе 13 выполнен внутренний кольцевой выступ 18 с посадочным седлом 19 для взаимодействия и посадки торцового клапана 17.
Ступенчатый золотник 14 с кольцевым поршнем 15 образуют кольцевую камеру 20 с внутренней поверхностью корпуса 13, гидравлически связанную дренажным каналом 21 с полостью 22 гидроцилиндра 2 над тормозным поршнем 5, в котором выполнен ряд перепускных отверстий 23 для связи полости 22 гидроцилиндра 2 с осевым каналом 7 полого штока 6. В осевом канале 24 корпуса 13 ход ступенчатого золотника 14 ограничен сверху телом ограничителя 25, в котором установлено подпружиненное седло 26 под шаровой клапан 27. Подпружиненное седло 26 содержит продольные пазы 28 для подачи рабочей жидкости в осевой канал 29 под подпружиненным седлом 26, связанным через обводной канал 30 и дроссель 31 с полостью 32 гидроцилиндра 2 под тормозным поршнем 5. В ступенчатом золотнике 14 выполнена цилиндрическая расточка 33, переходящая в осевой канал 34. Внутри цилиндрической расточки 33 размещена полая тяга 35, верхний конец которой имеет скос 36 и снабжен ограничительным кольцом 37.
Полая тяга 35 пропущена в цилиндрическую расточку 33 ступенчатого золотника 14 и канал 38 в месте расположения кольцевого выступа 18 и снабжена стопорным кольцом 39 с проточкой 40. В корпусе 13 установлен подпружиненный фиксатор 41 с возможностью взаимодействия с проточкой 40 стопорного кольца 39 в исходном положении полого штока 6.
Полая тяга 35 пропущена через тормозной поршень 5 с расположением в осевом канале 7 и снабжена ограничительным кольцом 42.
В теле ступенчатого золотника 14 выполнены перепускные отверстия 43, соединяющие полость цилиндрической расточки 33 с полостью 44 корпуса 13 под ступенчатым золотником 14. В теле ограничителя 25 выполнены радиальные отверстия 45 для связи с продольными пазами 28 на наружной поверхности подпружиненного седла 26. Для поджима фиксатора 41 к стопорному кольцу 39 в месте выполнения проточки 40 на наружной поверхности корпуса 13 установлена пластинчатая пружина 46.
Кольцевой зазор между полым штоком 6 и гидроцилиндром 2 перекрыт шайбой 47 с уплотнительными кольцами 48 и 49.
Работа гидравлического зондового перфоратора. Устройство подсоединяется своим верхним концом к лифтовой колонне труб и вводится в скважину с расположением в зоне продуктивного пласта.
Осуществляют подачу под давлением рабочую жидкость в лифтовую колонну труб и далее - в цилиндрическую расточку 33 ступенчатого золотника 14, откуда через перепускные отверстия 43 поступает в полость 44 и далее в канал 38, гидравлически связанный с полостью 22 гидроцилиндра 2 над тормозным поршнем 5. Через перепускные отверстия 23 в тормозном поршне 5 рабочая жидкость поступает в осевой канал 7 полого штока 6 и далее в осевой канал зонда 9 с выбросом струи через насадку 12 на поверхность горной породы, слагающей продуктивный пласт. Под действием перепада давления, действующего на площадь сечения тормозного поршня 5 и зонда 9, происходит их перемещение внутри гидроцилиндра 2 по мере формирования перфорационного канала в продуктивном пласте за счет воздействия струей рабочей жидкости. В случае когда размер перфорационного канала будет меньше, чем наружный диаметр зонда 9, происходит его остановка. В то же время тормозной поршень 5 совместно с полым штоком 6 продолжают перемещаться внутри гидроцилиндра 2 до момента, когда тормозной поршень 5 достигнет ограничительного кольца 42 на полой тяге 35.
При их взаимодействии полая тяга 35 перемещается вниз с выходом ее из взаимодействия с подпружиненным фиксатором 41. Верхний конец полой тяги 35 перемещается относительно подпружиненного седла 26, что приводит к посадке шарового клапана 27 на подпружиненное седло 26 и прекращению подачи рабочей жидкости в полость гидроцилиндра 2 и осевой канал 7 полого штока 6.
Ступенчатый золотник 14 с кольцевым поршнем 15 под действием избыточного давления, перемещается вниз внутри корпуса 13 с сжатием пружины 16 и с посадкой торцовым клапаном 17 на посадочное седло 19 в кольцевом выступе 18 разъемного корпуса 1 и остается закрытым в этом положении. Подпружиненное седло 26 с шаровым клапаном 27 также перемещаются вниз относительно ограничителя 25 с обеспечением подачи рабочей жидкости через продольные пазы 28 на наружной поверхности подпружиненного седла 26 к обводному каналу 30, снабженного дросселем 31 с выходом рабочей жидкости в полость 32 гидроцилиндра 2 под тормозным поршнем 5. Под действием избыточного давления тормозной поршень 5 с полым штоком 6 перемещается вверх внутри гидроцилиндра 2. При подходе гайки 8, расположенной в осевом канале полого штока 6, к фиксатору 10 на зонде 9 происходит перемещение зонда 9 с насадкой 12 внутрь-вверх с движением внутри поворотно-направляющего канала 11 в разъемном корпусе 1. Тем самым осуществляется вывод зонда 9 из перфорационного канала с возвратом в исходное положение внутри разъемного корпуса 1.
Тормозной поршень 5 перемещается вверх и взаимодействует своим торцом со стопорным кольцом 39 на полой тяге 35, что при их совместном перемещении приводит к вводу подпружиненного фиксатора 41 в проточку 40 стопорного кольца 39. При этом полая тяга 35 своим верхним концом, снабженным скосом 36, взаимодействует с шаровым клапаном 27 с его отрывом от подпружиненного седла 26 и образованием гидравлической связи полости лифтовой колонны труб с цилиндрической расточкой 33 в ступенчатом золотнике 14, торцовый клапан 17 которого сохраняет свое положение на посадочном седле 19.
При этом рабочая жидкость по каналу в полой тяге 35 с ограниченным расходом продолжает поступать в осевой канал зонда 9. В таком положении деталей зондовый перфоратор после контроля времени выполнения операции по формированию перфорационного канала остается до момента прекращения - остановки подачи под давлением рабочей жидкости с поверхности.
После сброса давления усилием сжатой пружины 16 ступенчатый золотник 14 с кольцевым поршнем 15 перемещается внутри ступенчатой расточки 13 корпуса 1 с отрывом торцового клапана 17 от седла 19 и восстановлением гидравлической связи цилиндрической расточки 33 в ступенчатом золотнике 14 и перепускных отверстий 43 с полостью 20 гидроцилиндра 2 над тормозным поршнем 5. Тем самым устройство подготовлено к повторению перфорации на новом уровне.