УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРЕЗАНИЯ ОКНА В ОБСАДНОЙ КОЛОННЕ СКВАЖИНЫ
DEVICE FOR CUTOUT OF WINDOW IN WELL CASING STRING

Изобретение относится к области капитального ремонта скважин и предназначено для вырезания окна в обсадной колонне скважины для дальнейшего забуривания нового ствола, вскрытия вышележащего продуктивного горизонта, выполнения изоляционных работ.
Анализ существующего уровня показал следующее:
известны устройства для вырезания окна в обсадной колонне, в которых элементом для вырезания окна является фрезерный инструмент (а.с. №1006708 «Фрезер-райбер» от 03.07.81 г. по кл. E21B 29/06, опубл. 23.03.83 г.; п. РФ №2090737 «Раздвижной фрезер» от 06.03.1996 г. по кл. E21B 29/00, 29/06, опубл. 20.09.1997 г.; п. РФ №2140520 «Устройство для прорезания окна в обсадной колонне» от 10.11.1996 г. по кл. E21B 29/06; п. РФ №2173761 «Однопроходное устройство с уипстоком для образования окна в обсадной трубе скважины» от 08.07.1996 г. по кл. E21B 29/06, оп. 20.09.2001 г. и др.) Устройства посредством резьбового соединения крепятся к колонне бурильных труб и оснащены армированными фрезерами-райберами, пакерами, направляющими механизмами, клиньями-отклонителями.
Недостатками вышеуказанных устройств является недостаточно высокое качество и эффективность вырезания окна в обсадной колонне скважины, обусловленные следующими причинами:
- для вырезания окна в обсадной колонне скважины требуется выполнить два рейса бурильного инструмента: первоначально устанавливают и закрепляют в колонне клин-отклонитель, затем производят спуск бурильной колонны, оснащенной фрезерным инструментом, что приводит к увеличению времени проведения работ;
- из-за недостаточной прочности, а иногда и неровности наклонной поверхности клина-отклонителя, в процессе работы райберами происходит его протирание, что приводит к аварии и требует повторной установки клина-отклонителя и прорезания колонны;
- при чрезмерных осевых нагрузках возможен слом райбера без прорезания окна в обсадной колонне;
- возможно образование пробок из стружки между зубьями фрез, формирующих профиль вырезаемого окна, а также из-за истирания стружкой пластин из твердого сплава на фрезе, что не обеспечит фрезерования окна с гладкими кромками в стенке обсадной колонны за один рейс;
- при производстве фрезерных работ возникает вибрация бурильного и режущего инструмента, что приведет к нарушению контакта между обсадной колонной и цементным камнем, а также нарушениям резьбовых соединений колонны со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями.
Известны устройства для электрохимического анодного растворения участка обсадной трубы в скважине (п. РФ №2396416 «Установка для разрушения колонны скважины» от 28.07.2009 г. по кл. E21B 29/02, 43/25, опубл. 10.08.2010 г.; п. РФ №2227201 «Способ разрушения участка трубы в скважине и устройство для его осуществления» от 18.03.2002 г. по кл. E21B 29/02, опубл. 20.04.2004 г.) Каждое устройство включает источник питания, соединенный через электроизолированный кабель с анодом и катодом, длина которого определена длиной разрушаемого участка трубы. Катод выполнен по форме удаляемого участка трубы. Электролит является проводником тока и в момент анодного растворения находится в зоне расположения катода по всей его длине.
Недостатками вышеуказанных устройств является невозможность вырезания окна в обсадной колонне скважины. Вышеуказанные устройства позволяют удалить участок трубы по всему периметру. Нарушение целостности обсадной колонны может привести к осыпанию и обвалам приствольной области скважины. При дальнейшем забуривании нового ствола скважины, за счет вибрации бурильного инструмента возможно нарушение контакта между нижней обсадной трубой и цементным камнем, что приведет к нарушению герметичности заколонного пространства. К тому же для анодного растворения участка обсадной трубы по всему диаметру необходим большой расход электролита и времени для полного растворения металла разрушаемого участка трубы.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, обеспечивает повышение качества и эффективности вырезания окна в обсадной колонне скважины за счет возможности сохранения целостности обсадной колонны, предотвращения вибрации обсадной колонны, возможности создания окна необходимой формы и размера с гладкими кромками в стенке обсадной колонны за один спуско-подъем инструмента.
Технический результат достигается с помощью предлагаемого устройства для вырезания окна в обсадной колонне скважины включающего:
цилиндрический корпус из диэлектрического материала, с осевым продольным каналом для подачи электролита плотностью, превышающей плотность скважинной жидкости, и боковым поперечным каналом, оси которых пересекаются в его центральной части;
в верхней части осевой продольный канал имеет резьбу, в которую ввернут штуцер;
в теле цилиндрического корпуса радиально выполнен наклонный канал в виде сектора кругового кольца, гидравлически связанный с осевым продольным каналом, причем угол α наклонного канала к плоскости поперечного сечения цилиндрического корпуса составляет 20-40 град, а высота h наклонного канала находится в пределах 10-30 мм;
на боковой поверхности цилиндрического корпуса диаметрально противоположно наклонному каналу выполнено продольное углубление под эластичную мембрану, с образованием полости, гидравлически связанной с боковым поперечным каналом;
под наклонным каналом установлен съемный электрод, на поверхности которого размещены диэлектрические элементы;
съемный электрод является катодом и соединен через электроизолированный кабель с отрицательным полюсом источника тока, а обсадная труба - анодом и подключена к положительному полюсу источника тока.
Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует условию новизны.
Анализ изобретательского уровня показал следующее: из источников патентной документации и научно-технической литературы, нами не выявлены технические решения, имеющие в своей основе признаки, совпадающие с отличительными признаками заявляемого технического решения, обеспечивающими достигаемый технический результат. Таким образом, заявляемые существенные признаки не следуют явным образом из уровня техники, т.е. соответствуют условию изобретательского уровня.
Конструкция заявляемого устройства поясняется следующими чертежами:
на фиг.1 представлен продольный разрез устройства;
на фиг.2 представлен поперечный разрез А-А;
на фиг.3 представлен вид снизу В.
Устройство для вырезания окна в обсадной колонне скважины (фиг.1) содержит цилиндрический корпус 1, выполненный из диэлектрического материала. Цилиндрический корпус 1 имеет осевой продольный канал 2 для подачи электролита плотностью, превышающей плотность скважинной жидкости, и боковой поперечный канал 3, оси которых пересекаются в его центральной части. В верхней части осевой продольный канал 2 имеет резьбу, в которую ввернут штуцер 4. В теле цилиндрического корпуса 1 радиально выполнен наклонный канал 5 в виде сектора кругового кольца, который гидравлически связан с осевым продольным каналом 2. Угол α наклонного канала 5 к плоскости поперечного сечения цилиндрического корпуса 1 составляет 20-40 град, а высота h наклонного канала находится в пределах 10-30 мм. На боковой поверхности цилиндрического корпуса 1, диаметрально противоположно наклонному каналу 5 выполнено продольное углубление 6 под эластичную мембрану 7, с образованием полости А, гидравлически связанной с боковым поперечным каналом 3. Под наклонным каналом 5 на боковой поверхности цилиндрического корпуса 1 закреплен посредством винта 8 съемный электрод 9. Съемный электрод 9 может иметь круглую, прямоугольную, овальную или любую другую форму, в зависимости от выполнения необходимой формы окна в обсадной колонне. На поверхности съемного электрода 9 размещены диэлектрические элементы 10. Съемный электрод 9 является катодом и соединен через электроизолированный кабель 11 с отрицательным полюсом источника тока, установленным на поверхности. Обсадная труба 12 является анодом и подключена к положительному полюсу источника тока (на фигуре не показано).
Устройство работает следующим образом.
Предварительно определяют место расположения окна в обсадной колонне 12 и его форму. Электроизолированный кабель 11 подключают к съемному электроду 9 (катод) и отрицательному полюсу источника тока, установленному на поверхности. Обсадную трубу 12 (анод) в районе устья подключают к положительному полюсу источника тока. Источник тока выключен. Затем подсоединяют устройство через штуцер 4 и переводник к НКТ (на фиг.1 не показано) и спускают внутрь обсадной колонны 12 к месту вырезания окна. После окончания спуска, насосом по НКТ подают электролит, например раствор поваренной соли NaCl. Плотность электролита должна превышать плотность скважинной жидкости, для обеспечения продвижения электролита вниз, вдоль электрода 9. Электролит под давлением поступает в осевой продольный канал 2 и далее через наклонный канал 5 в зону вырезания окна, а через боковой поперечный канал 3 в полость А, к эластичной мембране 7. При этом давление электролита достигает значение больше значения гидростатического давления жидкости на уровне прорезаемого окна. Под действием давления электролита эластичная мембрана 7 растягивается и прогибается наружу, прижимаясь к внутренней поверхности обсадной колонны 12. При этом цилиндрический корпус 1 устройства перемещается в противоположном направлении, и съемный электрод 9 приблизится к стенке обсадной колонны 12. За счет наличия диэлектрических элементов 10 на поверхности съемного электрода 9, последний не будет касаться ее внутренней поверхности, т.е. между стенкой обсадной колонны 12 и съемным электродом 9 сформируется зазор малой величины, а устройство зафиксируется в этом положении. Включают источник постоянного тока. При включении источника тока на поверхности, будет протекать электрический ток по цепи: плюс источника тока - стенка обсадной колонны 12, межэлектродное пространство между съемным электродом 9 и стенкой обсадной колонны 12 (через электролит), минус источника тока - съемный электрод 9. При этом будет происходить анодное растворение металла трубы колонны напротив съемного электрода 9, повторяя его форму. Когда произойдет растворение стенки на всю ее толщину, о чем можно будет судить по резкому уменьшению силы тока в указанной выше электрической цепи, то образование окна закончится. При этом никаких напряжений в стенке обсадной колонны 12 появляться не будет. Выключают источник тока, прекращают подачу электролита. Устройство поднимают на поверхность.
Для подачи электролита в зону обработки (межэлектродное пространство МЭП) наклонный канал 5 выполнен в виде сектора кругового кольца. Внешняя дуга сектора кругового кольца наклонного канала 5 равна ширине съемного электрода 9, чтобы электролит равномерно заполнял все МЭП. Площадь поперечного сечения наклонного канала 5 должна быть такой, чтобы при создаваемом давлении электролита в осевом продольном канале 2, в межэлектродное пространство (МЭП) поступало бы достаточное количество для протекания электрохимического растворения металла стенки обсадной колонны 12. Самым узким участком наклонного канала 5 является участок, непосредственно прилегающий к осевому продольному каналу 2. Площадь его поперечного сечения будет определять проходные характеристики наклонного канала 5. Если этот участок заузить, то возникнут большие гидравлические сопротивления в наклонном канале 5, и электролит не будет поступать в МЭП в достаточном количестве. Если же этот участок сделать широким, то необходим большой расход электролита, к тому же потребуется поддерживать более высокое давление электролита в осевом продольном канале 2, для прижатия эластичной мембраны 7 к стенке обсадной колонны 12. Поэтому, исходным для определения минимального сечения наклонного канала 5, является величина давления электролита в осевом продольном канале 2.
Наклонный канал 5 выполнен под углом α к плоскости поперечного сечения цилиндрического корпуса 1, что облегчает вытекание электролита из осевого продольного канала 2 к съемному электроду 9, за счет использования силы тяжести. Однако угол α наклона должен быть оптимальным. Если наклонный канал 5 выполнить под углом α до 20 град, то электролит будет вытекать из него не попадая на торец съемного электрода 9, а упираясь струей в стенку обсадной колонны 12, что приведет к разделению этой струи на потоки в разные стороны: вверх, вниз, влево, вправо. Полезным будет поток вниз, так как он направлен в МЭП. Остальные потоки будут распылять электролит и увеличивать его общий расход. Выполнение наклонного канала 5 под углом α к плоскости поперечного сечения цилиндрического корпуса 1 от 20 до 40 град обеспечит попадание потока электролита на верхний торец съемного электрода 9, плавное его отклонение от направления наклонного канала 5, движение по поверхности торца съемного электрода 9 (несколько замедленное, но без отрыва от поверхности торца) и попадание в МЭП. Часть потока будет ударяться в стенку обсадной трубы 12 и рассеиваться, но в значительно меньшей степени. Если угол α будет более 40 град, то поток, вытекающий из наклонного канала 5, будет отражаться от поверхности верхнего торца съемного электрода 9, то есть отделяться от этой поверхности, устремляясь вверх, что увеличит его растекание в разные стороны, следовательно, и потери. Таким образом, угол α составит 20-40 град.
Высота h наклонного канала 5 находится в пределах 10-30 мм, для плавного отекания электролита в МЭП. Если высота h наклонного канала 5 будет менее 10 мм, то скорость вытекания будет большой, и электролит будет разбрызгиваться, что потребует увеличения его расхода и отрицательно повлияет на процесс вырезания окна. Если же высота h наклонного канала 5 будет более 30 мм, то потребуется насос с большой производительностью, а скорость вытекания из наклонного канала 5 будет недостаточной для преодоления противодавления со стороны гидростатического давления столба жидкости в обсадной колонне.
В предлагаемом изобретении фиксация устройства в колонне обсадных труб 12 происходит за счет наличия в устройстве гидравлических связей и эластичной мембраны 7, что позволяет отказаться от использования, как минимум, трех точек опоры на стенку обсадной трубы 12.
Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию промышленной применимости.
Предлагаемое изобретение соответствует условию патентоспособности, так как является новым, имеет изобретательский уровень и промышленную применимость.