ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЩЕЛЕВОЙ ПЕРФОРАТОР
HYDROMECHANICAL SLOT-TYPE PERFORATOR

Изобретение относится к области бурения и эксплуатации нефтяных, газовых и нагнетательных скважин, а именно к устройству для создания продольных перфорационных щелей в обсадной (эксплуатационной) колонне, цементном камне и горной породе.
Известен гидромеханический скважинный щелевой перфоратор по патенту РФ №2182221, кл. Е21В 43/114, от 2002 г. Перфоратор содержит корпус, режущий инструмент в виде накатного диска, гидромониторную насадку, полый шток-фильтр, расположенный в двух гидроцилиндрах, поршень-толкатель с гидроканалами, связанный с осью накатного диска, расположенной в направляющих пазах боковых пластин, которые охватывают клиновой паз, содержащий съемные пластины. Его составные детали просты в изготовлении и легко заменяемы.
Недостатками приведенного перфоратора являются быстрый износ рабочих деталей и возможность работы лишь в одной проекции. Кроме того, при одностороннем воздействии режущего инструмента на эксплуатационную колонну возникает усилие прижима перфоратора к ней, требующее дополнительных усилий на преодоление силы трения при перемещении его вверх-вниз и приводящее к его быстрому износу. Вместе с этим, конструкция известного перфоратора довольно сложна, что снижает его надежность и технологичность при эксплуатации.
Также известен перфоратор двухсторонний гидромеханический щелевой (патент РФ №2327859, кл. Е21В 43/112, от 2006 г.), содержащий корпус, в котором размещены поршень-толкатель и выдвижной режущий инструмент в виде верхнего и нижнего режущих дисков с возможностью выполнения двух диаметрально расположенных щелей в колонне, при этом каждый диск расположен на своей оси. Механизм их выдвижения выполнен в виде коромысла, смонтированного на центральной оси. Коромысло выполнено с возможностью поворота при перемещении поршня-толкателя. В плечах коромысла на разном расстоянии от центральной оси установлены оси режущего диска. Длина плеча коромысла до оси верхнего диска меньше, чем длина плеча коромысла до оси нижнего диска.
Недостатком указанного известного устройства является возникновение вероятности заклинивания коромысла в раскрытом состоянии при попадании стружки от трубы, что может привести к аварии на скважине, вследствие чего имеется вероятность ликвидации скважины.
Кроме того, самым слабым узлом известного устройства являются верхний и нижний клинья, при поломке которых устройство перестает работать. Клинья ломаются из-за ударных нагрузок при продавливании колонны.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является гидромеханический скважинный перфоратор (патент РФ №2230182, кл. Е21В 43/112, от 2004 г.), содержащий составной корпус, выдвижной режущий инструмент в виде накатного ролика, установленного на направляющих, механизм подачи режущего инструмента, циркуляционный клапан и гидромониторную насадку, причем в накатном ролике выполнены на режущей кромке радиальные канавки, расположенные по окружности, а входная кромка канала гидромониторной насадки выполнена с кривизной, радиус которой равен толщине ее стенки.
Недостатками известного устройства являются следующие:
- возможность выполнения перфорационной щели при работе лишь в одной проекции, что снижает производительность;
- одностороннее воздействие режущего инструмента на обсадную колонну приводит к возникновению усилия прижима перфоратора к ней, требующее дополнительных усилий на преодоление силы трения при перемещении его вверх-вниз и приводящее к его быстрому износу;
- сложность конструкции, что снижает надежность и технологичность перфоратора в целом;
- сложность замены режущего инструмента;
- недостаточный выход дисков из перфоратора, из-за чего при износе дисков снижается вероятность разрезания трубы на больших интервалах.
Технический результат, который обеспечивает предлагаемое изобретение, заключается в возможности выполнения многощелевой перфорации, в том числе одновременно в различных требуемых радиальных направлениях, при снижении усилий на перемещение перфоратора за счет отсутствия контакта корпуса с колонной, а также в обеспечении технологичности перфоратора при его эксплуатации и ремонте, и при центрировании перфоратора в трубе.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение простоты и надежности конструкции.
Указанный технический результат достигается предлагаемым гидромеханическим щелевым перфоратором, содержащим корпус с размещенными в нем поршнем-толкателем, в котором выполнен по меньшей мере один гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой, отклоняющим клином и выдвижным режущим инструментом, в виде установленного на оси режущего диска с механизмом его выдвижения, выполненным с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином, при этом новым является то, что в корпусе перфоратора под поршнем-толкателем дополнительно установлены модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих цилиндров, и возвратный узел - возвратная пружина, при этом указанный модуль размещен в корпусе с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратного узла, внутри каждого из указанных рабочих цилиндров установлен выдвижной режущий инструмент с механизмом его выдвижения через сквозной продольный вырез, выполненный в стенке рабочего цилиндра, причем механизм выдвижения режущего инструмента выполнен в виде смонтированного на оси одноплечего рычага, в плече которого установлена ось режущего диска, при этом количество отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе, соответствует количеству рабочих цилиндров в модуле с установкой по одному отклоняющему клину в зоне взаимодействия с механизмом выдвижения режущего инструмента.
Ориентирование сквозных продольных вырезов, по меньшей мере, у двух рабочих цилиндров в модуле выполнено с поперечным угловым смещением  относительно друг друга.
Величина поперечного углового смещения сквозных продольных вырезов различных рабочих цилиндров в модуле составляет 10-360°.
Сквозной продольный вырез в рабочем цилиндре выполнен в виде прямоугольника.
Между модулем и возвратным узлом дополнительно размещен поршень-упор.
Достижение поставленного технического результата обеспечивается за счет следующего.
Благодаря тому, что в корпусе перфоратора под поршнем-толкателем дополнительно установлен подвижный в продольном направлении модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих полых цилиндров (возможно их устанавливать до 10 штук) с размещенными внутри режущими инструментами, появляется возможность производить одновременно многощелевую перфорацию обсадной (эксплуатационной) колонны в скважине.
Наличие в стенках рабочих цилиндров сквозных продольных вырезов позволяет при установке различных (как соседних, так и других) рабочих цилиндров ориентировать эти вырезы в требуемых радиальных направлениях (т.е. с их поперечным угловым смещением (сдвигом) относительно друг друга, например со смещением 10-360°), благодаря чему и обеспечивается возможность одновременно формировать перфорационные щели и в различных радиальных направлениях, т.е. в различной фазировке, и со сдвигом в продольном направлении.
Выполнение в предлагаемом перфораторе механизма выдвижения режущего инструмента в виде смонтированного на оси одноплечего рычага, в плече которого установлена ось режущего диска, обеспечивает наряду с простотой конструкции и ее технологическую надежность, т.к. отсутствует эффект переламывания рычага под воздействием противоположных сил (по сравнению с коромыслом у известного перфоратора), а также простоту складывания перфоратора.
Благодаря тому, что модуль, состоящий из набора рабочих цилиндров, в предлагаемом перфораторе размещен в корпусе с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратного узла - возвратной пружины, обеспечивается простота работы, т.е раскладывание и складывание перфоратора, легкого перемещения перфоратора внутри трубы.
Наличие в предлагаемом перфораторе количества отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе (клинья закреплены на корпусе), равного количеству рабочих цилиндров в модуле, обеспечивает работоспособность конструкции и возможность выхода режущего инструмента из каждого рабочего цилиндра через сквозной вырез к месту выполнения перфорационного отверстия. Благодаря этому достигается одновременное разрезание трубы в различных плоскостях, легкость эксплуатации работы, минимальное трение перфоратора о стенку трубы, а также одновременное складывание рычагов перфоратора.
Установка поршня-упора, например, в виде подвижной пластины, или в виде металлического стакана, или в виде поршня, между модулем и возвратным узлом позволяет обеспечить полную передачу усилия возвратного узла на модуль для возвращения последнего в исходное положение.
Обеспечение технологичности заявляемого перфоратора при его ремонте достигается за счет простоты замены режущего узла по всей длине модуля или корпуса режущего узла, при этом операция производится одновременно.
А придание технологичности при центрировании предлагаемого перфоратора в обсадной трубе обеспечивается за счет наличия нескольких режущих узлов или рычагов и зон контакта с трубой и, как следствие, уменьшение силы трения о внутреннюю стенку трубы корпусом перфоратора и легкость перемещения его при разрезании трубы (контактирует со стенкой трубы только режущими дисками).
В предлагаемом перфораторе могут быть использованы режущие диски различной конструкции, например, с увеличенной твердостью, со специальным покрытием, с различным углом заточки и фрезерующими или сострагивающими насечками, так же режущий инструмент может быть выполнен различной формы круг, многоугольник и т.д., что делает его универсальным по этому показателю по отношению к известным перфораторам.
В заявляемом перфораторе поршень-толкатель может быть выполнен с одним, двумя и более боковыми гидроканалами и соответственно гидромониторными насадками. Каналы и насадки устанавливаются в том же направлении, что и режущие диски. Кроме того, механизм выдвижения режущих дисков этого перфоратора может быть смонтирован с возможностью исключения соприкосновения корпуса перфоратора с колонной, за счет выдвижения рычага из перфоратора, при этом контактировать с колонной будет только часть рычага.
Заявляемый перфоратор иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид перфоратора в сборе; на фиг.2 - разрез А-А.
Перфоратор содержит корпус 1, поршень-толкатель 2, отклоняющий клин 3 и выдвижной режущий инструмент, в виде установленного на оси 4 режущего диска 5 с механизмом его выдвижения, выполненным с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3. В корпусе 1 перфоратора под поршнем-толкателем 2 установлен модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих цилиндров 6, в стенке каждого из которых выполнен сквозной продольный вырез 7. Ниже указанного модуля в корпусе 1 установлен возвратный узел 8, выполненный в виде возвратной пружины. Между возвратным узлом 8 и нижним рабочим цилиндром 6 в модуле установлен поршень-упор 9 в виде подвижной пластины, или в виде металлического стакана, или в виде поршня. Рабочие цилиндры 6 в модуле предпочтительно, в зависимости от требуемого направления перфорации, размещать таким образом, чтобы ориентирование сквозных продольных вырезов 7, по меньшей мере, у двух рабочих цилиндров 6 в модуле было выполнено с поперечным угловым смещением относительно друг друга (т.е. ориентировать эти вырезы в требуемых радиальных направлениях с их поперечным угловым смещением (сдвигом) относительно друг друга, например со смещением 10-360°). На фиг.1 модуль состоит из трех рабочих цилиндров 6, причем вырез 7 у верхнего ориентирован влево, средний - от зрителя, нижний - вправо, т.е. угловое смещение у каждого последующего 90° по сравнению с предыдущим, а у первого по отношению к третьему - 180°. Этот модуль на чертеже выполнен с возможностью выполнения трех перфорационных щелей в трех направлениях. Но соседние рабочие цилиндры 6 в модуле могут быть установлены и без углового смещения вырезов 7 относительно друг друга. В этом случае перфорация производится путем выполнения длинной щели (без дополнительной замены режущего узла) в одном радиальном направлении двумя режущими дисками одновременно.
Указанный модуль (а значит, и вся система рабочих цилиндров 6) размещен в корпусе 1 с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя 2 в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратного узла 8. Внутри каждого из указанных рабочих цилиндров 6 установлен выдвижной режущий инструмент с механизмом его выдвижения через сквозной продольный вырез 7. Механизм выдвижения режущего инструмента в предлагаемом перфораторе выполнен в виде смонтированного на оси 10 одноплечего рычага 11, выполненного, например, в виде двух пластин. В плече рычага 11 установлена ось 4 режущего диска 5. Механизм выдвижения режущего инструмента выполнен с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3. Количество отклоняющих клиньев 3 соответствует количеству рабочих цилиндров 6 в модуле с установкой по одному отклоняющему клину 3 в зоне взаимодействия с механизмом выдвижения режущего инструмента из каждого рабочего цилиндра 6. В поршне-толкателе 2 выполнен, по меньшей мере, один гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой 12, причем количество гидромониторных насадок 12 в поршне-толкателе 2 в преимущественном варианте равно количеству режущих инструментов перфоратора или может быть меньше, в зависимости от задач намыва каверны. Кроме того, в поршне-толкателе 2 еще есть центральный канал, который перед работой перфоратора глушится шаром и тогда нагнетается давление и начинается движение поршня-толкателя.
Предлагаемый перфоратор работает следующим образом.
На колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) (не показаны) перфоратор опускают в скважину к требуемому месту по длине ствола. Создают давление в гидроцилиндре (в конструкции предлагаемого перфоратора возможно установление последовательно двух гидроцилиндров, в случае необходимости создания повышенного давления), под действием которого поршень-толкатель 2 начинает поступательно перемещаться и начинает толкать верхний рабочий цилиндр к месту разрезки, т.е. к своему рабочему состоянию. Установив перфоратор в скважине, проводят прямую промывку полости труб и полости перфорационного устройства от окалины и механических примесей, которые попадают в полость труб во время геофизических работ по привязке устройства к интервалу резки. Затем в полость труб опускают шарик диаметром 19 мм, который, проходя через подвеску НКТ, рециркуляционный клапан 13 и полый шток-фильтр, опускается в посадочное гнездо шток-фильтра, который установлен в поршне-толкателе 2 (а можно и без шток-фильтра, но от этого будет небольшое изменение конструкции поршня-толкателя 2 и дополнительного поршня) и перекрывает центральный канал поршня-толкателя 2, после чего в НКТ создается рабочее давление.
При создании рабочего давления в полости труб жидкость воздействует на поршень, одновременно проходя через отверстия в шток-фильтре 14, воздействует на полость нижнего гидроцилиндра, перемещая поступательно поршень и поршень-толкатель 2. При этом указанный поршень-толкатель 2 воздействует на модуль, а значит, на рабочие цилиндры 6, которые перемещаются вниз. При этом нижний рабочий цилиндр 6 в модуле нижним краем упирается в поршень-упор 9, сжимая пружину и передвигаясь поступательно вдоль продольной оси устройства. В рабочих цилиндрах 6 на осях 10 установлены рычаги 11 режущих дисков 5 в различной направленности (зависит от задачи в скольких проекциях необходимо резать трубу). При перемещении рабочих цилиндров 6 вниз, рычаги 11 режущих дисков 5, находящиеся на отклоняющих клиньях 3, скользя по ним, начинают выдвигаться через сквозные продольные вырезы 7 из рабочего цилиндра 6 до упора с обсадной (эксплуатационной) колонной. Прорезание щелей в колонне производится попеременным перемещением перфорационного устройства, находящегося под давлением (например, от 20 до 150 атм и при ступенчатом повышении его), вверх и вниз на длину щели. После образования щелей в колонне (их количество и радиальная направленность будет зависеть от количества рабочих цилиндров 6 и от пространственной направленности вырезов 7) давление в полости труб поднимают, и реализуется гидромониторный эффект струи. При этом струи жидкости, выходящие через гидромониторные насадки 12, с большой скоростью разрушают своим напором цементный камень и породу за колонной, намывают каверну по всей длине щелей. После намыва каверны давление в трубах сбрасывается до атмосферного. Под действием возвратного узла 8 и поршня-упора 9, модуль, а значит рабочие цилиндры 6, перемещается вверх. При этом режущие диски 5 с рычагами 11 через вырезы 7 втягиваются в рабочие цилиндры 6 и режущий инструмент в сборе.
После этого в полость НКТ опускается шар большого диаметра 40 мм, который садится в седло 15 сбивного клапана 16. Подняв давление в трубах, производят срез штифтов сбивных клапанов, фиксирующих передвижение седла клапана вдоль оси перфорационного устройства, и седло клапана перемещается вниз, открывая промывочное устройство в корпусе. После чего производят освоение, или глушение скважины, или подъем устройства из нее.
Технико-экономические преимущества заявляемого перфоратора по сравнению с известными являются следующие:
- заявляемый перфоратор позволяет одновременно выполнять многощелевую перфорацию, в том числе одновременно в различных требуемых радиальных направлениях, что повышает производительность;
- позволяет снизить усилие на перемещение перфоратора за счет отсутствия контакта корпуса с колонной;
- является более надежным в эксплуатации на счет практически отсутствия вероятности заклинивания, т.к. при поднятии предлагаемого перфорационного устройства вверх происходит вытягивание рычага из-под отклоняющего клина, в то время как в известных перфораторах при попадании металлической стружки под клин-поршень закрытие устройства невозможно осуществить, т.к. клином идет давление на край коромысла;
- является простым в изготовлении, монтаже и ремонте за счет простоты конструкции, одинаковых (унифицированных) частей рабочих цилиндров с режущими узлами, возможности быстрой замены режущих элементов, в то время как в известных перфораторах используется сложная геометрия коромысла и сложный контакт клин-поршней с коромыслом и одновременно неустойчивая в прочностном плане конструкция;
- обеспечивает технологичность при центрировании перфоратора в трубе, т.к. заявляемый перфоратор центрируется режущими дисками относительно внутренней стенки трубы в раскрытом состоянии, а потом краями рычагов, выступающих за края перфоратора.