СПОСОБ МЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРФОРАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR MECHANICAL PERFORATION AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к области добычи нефти и газа и может быть использовано для перфорации насосно-компрессорных труб (НКТ) в нефтяной или газовой скважине.
Широко известна взрывная перфорация колонны труб, используемая при вторичном вскрытии пластов (см. Прострелочно-взрывная аппаратура. Справочник. Под ред. Л.Я.Фридляндера. М.: Недра, 1990).
Однако взрывная перфорация в некоторых случаях неприменима. Например, при ремонтных работах, проводимых после удаления гидрато-парафиновых образований из НКТ, когда для последующей промывки этих труб требуется выполнять в них отверстия, применяется только механическая перфорация ввиду ее единичности и недопустимости проведения взрывных работ рядом с силовым кабелем, проходящим с наружной стороны колонны НКТ. Наиболее применяемыми видами механической перфорации являются сверлящая и прокалывающая (см. патенты РФ №№2070959, 2087685, 2069741, 2069740, 2133821, 2129655, 2381929, 2070279, 2172394, 21414, 27148, 27149, 31257, 46297).
Известным способом механической перфорации трубы в нефтяной или газовой скважине, принятым за прототип, является прокалывающая перфорация с использованием энергии гидростатического давления рабочей жидкости в скважине. Известный способ включает увеличение давления рабочей жидкости гидроусилителем, воздействие рабочей жидкостью на инструментальный поршень, формирование перфорационного отверстия прокалывающим инструментом. Для осуществления известного способа используется устройство (перфоратор), которое содержит корпус, гидроусилитель в виде поршня со штоком и камерой под ним, инструментальный поршень, надпоршневое пространство которого связано с камерой гидроусилителя, прокалывающий инструмент, размещенный на инструментальном поршне (патент РФ №2069742, 19.05.1993, МПК Е21В 43/112).
Недостатком прототипа в части способа является появление в процессе формирования перфорационного отверстия дополнительных усилий прокалывания, а также возможность заклинивания прокалывающего инструмента в отверстии после прокалывания и возникновение неустранимых деформаций в стенках НКТ, что снижает производительность, надежность и качество перфорации.
Недостатки прототипа в части устройства снижают его надежность и производительность и состоят в следующем:
- закрепление корпуса перед перфорацией не всегда происходит вдоль поперечной оси НКТ, что создает поперечные нагрузки на прокалывающий инструмент;
- корпус перфоратора часто подвергается изгибу и повреждениям, так как прижимается по всей длине к стенке НКТ, которая имеет заусенцы и изгибы;
- при возврате прокалывающего инструмента возможно его заклинивание в проколотом отверстии;
- для возврата рабочей жидкости в камеру гидроусилителя в процессе перезарядки необходимо разбирать перфоратор.
Задачей изобретения является создание способа механической перфорации и устройства для его осуществления, лишенных перечисленных недостатков.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенной группы изобретений, является повышение производительности и качества перфорации, повышение надежности перфоратора.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе механической перфорации трубы, включающем увеличение давления рабочей жидкости в гидроусилителе устройства, воздействие рабочей жидкостью через инструментальный поршень на прокалывающий инструмент и формирование перфорационного отверстия в трубе, возврат рабочей жидкости в камеру гидроусилителя после перфорации, согласно изобретению перед формированием перфорационного отверстия осуществляют прижим устройства к стенкам трубы, прокалывающим инструментом создают упругие деформации, направленные от формируемого перфорационного отверстия в тело трубы, расширяют вход в перфорационное отверстие, в процессе перфорации отводят излишнюю рабочую жидкость в маслосборник, откуда после перфорации ее возвращают в камеру гидроусилителя.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для осуществления способа механической перфорации трубы в нефтяной или газовой скважине, содержащем корпус, гидроусилитель в виде поршня со штоком и камерой под ним, инструментальный поршень, надпоршневое пространство которого сообщается с камерой гидроусилителя, прокалывающий инструмент, размещенный на инструментальном поршне, согласно изобретению наружная поверхность корпуса на уровне инструментального поршня выполнена с опорным выступом, соосно инструментальному поршню установлен опорный поршень со сферической наружной поверхностью и диаметром, большим диаметра инструментального поршня, прокалывающий инструмент имеет корпус, выполненный обратно коническим, с торцовой поверхностью, выполненной конической, или плоской, или сферической, и основанием, выполненным коническим, в нижней части корпуса устройства выполнен маслосборник, который сообщается с камерой гидроусилителя через дроссельное отверстие и пространство, образуемое между инструментальным и опорным поршнями, и имеет поршень, взаимодействующий с винтом. Высота опорного выступа наружной поверхности корпуса составляет 2-3 мм. Радиус сферической поверхности опорного поршня выполнен близким радиусу перфорируемой трубы. Диаметр опорного поршня выполнен большим диаметра инструментального поршня на величину, максимально допустимую конструкцией устройства. Конус корпуса прокалывающего инструмента выполнен с углом 1-2 градуса. Конус торцевой поверхности прокалывающего инструмента выполнен с углом, большим угла трения материала прокалывающего инструмента по материалу перфорируемой трубы. Конус основания прокалывающего инструмента выполнен с углом, большим угла трения материала прокалывающего инструмента по материалу перфорируемой трубы.
Прижим устройства к стенкам трубы перед формированием перфорационного отверстия обеспечивает фиксацию положения прокалывающего инструмента в продольном и поперечном относительно стенки трубы направлениях, что устраняет дополнительные усилия прокалывания, приводит к повышению качества перфорации.
Создание упругих деформаций прокалывающим инструментом, направленных от формируемого перфорационного отверстия в тело трубы, обеспечивает увеличение диаметра отверстия на величину упругой деформации после окончания перфорации, что обеспечивает выход инструмента из отверстия без заклинивания. Это повышает надежность и производительность работы инструмента. Создаваемые концентраторы напряжений в материале трубы также снижают усилие прокалывания.
Расширение входа в отверстие приводит к расширению всего отверстия и уменьшению вероятности заклинивания инструмента при обратном ходе после прокалывания, тем самым увеличивая надежность и производительность работы устройства.
Отвод излишней рабочей жидкости в маслосборник в процессе перфорации с последующим возвратом ее в камеру гидроусилителя исключает операцию перезарядки всего устройства, что сокращает время подготовки устройства для дальнейшего использования, повышая производительность.
Выполнение опорного выступа на наружной поверхности корпуса обеспечивает прижим корпуса к стенке трубы только этим ограниченным участком поверхности (при одновременном упоре в противоположную стенку трубы сферической поверхности опорного поршня). Тем самым снижается вероятность опоры на неровности и заусенцы трубы и, следовательно, деформации и корпуса и трубы. Надежность работы перфоратора возрастает.
Выполнение опорного выступа на уровне инструментального поршня необходимо для надежной фиксации прокалывающего инструмента относительно стенки трубы и, как следствие, для качественной перфорации.
Установка опорного поршня на одной оси с инструментальным поршнем устраняет их перекосы и заклинивания, от чего возрастает надежность работы перфоратора и его производительность. Также это обеспечивает фиксацию положения прокалывающего инструмента, установленного на инструментальном поршне, относительно стенки перфорируемой трубы, что приводит к повышению качества перфорации. Кроме того, упрощается конструкция устройства, обеспечивается компактность.
Выполнение наружной поверхности опорного поршня сферической обеспечивает ее базирование путем самоустановки благодаря значительной площади контакта со стенкой трубы и небольшим удельным контактным нагрузкам. Это повышает надежность, а, значит, и производительность работы устройства. Выполнение радиуса сферической поверхности опорного поршня близким радиусу перфорируемой трубы повышает надежность базирования.
Выполнение диаметра опорного поршня большим диаметра инструментального поршня на максимальную величину, допустимую конструктивными возможностями устройства, обеспечивает максимальную величину силы прижима корпуса к стенке трубы, так как величина этой силы определяется разностью площадей опорного и инструментального поршней, на которую будет воздействовать давление рабочей жидкости. При надежном прижиме корпуса перфоратора возрастают надежность и производительность его работы.
Выполнение торцевой поверхности прокалывающего инструмента конической создает дополнительные сжимающие напряжения в стенке трубы, уплотняя и наклепывая металл, в результате чего режущая кромка создает при срезе растягивающие упругие напряжения в теле трубы в зоне режущей кромки и ниже ее. Создаваемые концентраторы напряжений снижают усилие прокола. После среза упругие напряжения от среза возвращают верхний слой металла в исходное состояние, делая диаметр отверстия по размеру большим диаметра режущей кромки прокалывающего инструмента.
Выполнение торцевой поверхности прокалывающего инструмента плоской уменьшает усилия прокалывания трубы, так как заостренная режущая кромка подрезает корень удаляемого столбика металла, что увеличивает производительность прокалывания.
Выполнение торцевой поверхности прокалывающего инструмента сферической предохраняет режущую кромку, так как сфера создает растягивающие напряжения в столбике удаляемого из формируемого отверстия металла, а режущая кромка лишь подрезает металл в зоне его растяжения.
Выполнение корпуса прокалывающего инструмента обратно коническим необходимо, во-первых, для уменьшения трения задней поверхности режущей кромки инструмента об идущую за ней упругую волну поверхности отверстия, а во-вторых, для уменьшения площади контакта инструмента и трубы. Это облегчает выход инструмента из отверстия после прокалывания, повышая надежность и производительность работы.
Выполнение основания прокалывающего инструмента коническим обеспечивает дополнительное расширение отверстия при силовом перемещении инструмента в процессе прокалывания. Это уменьшает вероятность заклинивания прокалывающего инструмента при возврате после перфорации, тем самым увеличивая надежность и производительность работы устройства.
Таким образом, выполнение элементов прокалывающего инструмента указанной формы обеспечивает увеличение диаметра отверстия и улучшение возврата инструмента после прокалывания, а это увеличивает и надежность, и производительность работы устройства.
Выполнение в нижней части корпуса маслосборника предложенной конструкции, а именно, сообщаемого с камерой гидроусилителя через дроссельное отверстие и пространство, образуемое между опорным и инструментальным поршнями, и имеющего поршень, который взаимодействует с винтом, исключает необходимость полной разборки устройства после его подъема на поверхность. Время перезарядки сокращается, а значит увеличивается производительность работы.
Предложенное устройство показано на чертеже, где изображены: на фиг.1 - продольный разрез устройства, на фиг.2 - увеличенный вид I на фиг.1 с прокалывающим инструментом с конической торцевой поверхностью, на фиг.3 - вариант прокалывающего инструмента на фиг.2 с плоской или сферической (показано пунктиром) торцевой поверхностью.
Устройство содержит корпус 1, гидроусилитель в виде поршня 2, штока 3 и камеры 4, расположенной под штоком 3. Инструментальный поршень 5, надпоршневое пространство которого сообщается с камерой 4 гидроусилителя, имеет на конце прокалывающий инструмент 6 для формирования перфорационного отверстия. На наружной поверхности корпуса 1 на уровне инструментального поршня 5 выполнен опорный выступ 7 высотой 2-3 мм. Соосно инструментальному поршню 5 установлен опорный поршень 8, наружная поверхность которого выполнена в виде сферы 9.
Прокалывающий инструмент 6 выполнен в виде корпуса 10 с торцевой поверхностью 11 и основанием 12. Корпус 10 имеет форму обратного конуса с углом 1-2 градуса. Торцевая поверхность 11 может быть выполнена конической с углом, большим угла трения материала прокалывающего инструмента по материалу перфорируемой трубы, или плоской, или сферической. Основание 12 выполнено коническим с углом, большим угла трения материала прокалывающего инструмента по материалу перфорируемой трубы.
В нижней части корпуса 1 выполнен маслосборник 13, который сообщается с камерой 4 гидроусилителя через дроссельное отверстие 14 и межпоршневое пространство, образуемое между инструментальным 5 и опорным поршнями 8. В маслосборнике 13 размещен поршень 15, взаимодействующий с винтом 16.
Предложенное устройство, позволяющее реализовать предложенный способ механической перфорации трубы, работает следующим образом. Устройство опускают на кабеле или на трубах в заданную точку скважины. Затем насосным агрегатом на устье скважины создают расчетное давление рабочей жидкости в скважине, от действия которого поршень 2 гидроусилителя срезает шпонки и начинает перемещаться вниз. Шток 3, перемещаясь под воздействием поршня 2, создает в камере 4, заполненной рабочей жидкостью, повышенное давление, величина которого пропорциональна отношению площадей поршня 2 и штока 3. Указанное повышенное давление передается в пространство между инструментальным 5 и опорным 8 поршнями, в результате чего начинается перемещение поршней 5 и 8 в противоположные стороны. Опорный поршень 8, выполненный с диаметром, большим диаметра инструментального поршня 5, первым упирается в стенку перфорируемой трубы сферической поверхностью 9. Затем к противоположной стенке перфорируемой трубы прижимается опорный выступ 7. Корпус 1 останавливается, а инструментальный поршень 5 продолжает двигаться и перемещать размещенный на нем прокалывающий инструмент 6. Прокалывающий инструмент 6 торцевой поверхностью 11, выполненной конической, или плоской, или сферической, формирует отверстие в стенке трубы, перемещаясь до упора основания 12 в кромку отверстия. Конус основания 12 расширяет кромку отверстия и само отверстие.
В процессе перфорации излишние объемы рабочей жидкости поступают через дроссельное отверстие 14 в маслосборник 13. Вследствие падения давления рабочей жидкости опорный поршень 8 и инструментальный поршень 5 с инструментом 6 начинают обратный ход вглубь корпуса 1 в исходное положение и выдавливают из пространства между ними в маслосборник 13 остатки рабочей жидкости.
После возврата поршней (опорного 5 и инструментального 8) в исходное положение устройство извлекают из скважины.
На поверхности с помощью хомута зажимают опорный 8 и инструментальный 5 поршни. Вращением винта 16 возвращают поршень 15 маслосборника 13 в исходное верхнее положение. При этом рабочая жидкость поступает через дроссельное отверстие 14 в камеру 4 мультипликатора и возвращает шток 3 и поршень 2 в исходное положение.
Устройство готово для следующего спуска в скважину.
Предложенная группа изобретений для механической перфорации трубы в нефтяной или газовой скважине выполняет указанное назначение и обеспечивает повышение производительности, надежности и качества перфорации.