РЕЖУЩИЙ УЗЕЛ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ЩЕЛЕВОГО ПЕРФОРАТОРА

Заявленное техническое решение относится к области бурения и эксплуатации нефтяных и газовых скважин, в частности к гидромеханическим щелевым перфораторам, в конструкции режущего узла которых используются два накатных диска, расположенных в одной плоскости, на некотором расстоянии друг от друга, с целью ускорения процесса формирования перфорационной щели.
Из уровня техники известны режущие узлы гидромеханических щелевых перфораторов с двумя накатными дисками, расположенными в одной плоскости на некотором расстоянии друг от друга, раскрытые в патентах: RU 2239053 С1 от 03.03.2003; RU 2371569 С1 от 01.04.2008; RU 2392421 С1 от 27.03.2009; RU 2440486 С1 от 18.10.2010 г.
В приведенных аналогах режущий узел состоит из двух секций верхней и нижней, в выдвижных устройствах которых установлены по одному, одинаковому, накатному диску для одновременной работы в одной перфорационной щели. Расстояние между ними превышает диаметры этих накатных дисков и зависит от размеров секций режущего узла перфоратора.
Известны режущие узлы гидромеханических щелевых перфораторов по патентам RU 2459931 С1 от 10.02.2011 г.; RU 2459933 С1 от 14.02.2011 г., в которых режущий узел состоит из набора серег и поворотных коромысел, на концах которых установлены накатные диски, с возможностью их выдвижения с противоположных сторон перфоратора и ориентированных для работы в одной перфорационной щели попарно. Однако и в этом случае, в одной щели между накатными дисками, имеет место расстояние, зависящее от размеров каромысел и серег.
Использование в режущих узлах гидромеханических щелевых перфораторов механизма выдвижения накатных дисков с диаметром равным диаметру корпусу перфоратора, расположенных в одной плоскости, на  расстоянии друг от друга, превышающим, их диаметры, приводит к тому, что в верхнем и нижнем концевом участке щели, равным этому расстоянию, при возвратно-поступательном перемещении перфоратора, накатные диски будут работать в одиночном режиме, в условиях повышенных нагрузок, что резко снижает их срок эксплуатации.
Кроме того, чтобы создать необходимые усилие вдавливания одновременно двух накатных дисков в стенку обсадной трубы, обеспечивающее пластическую деформацию металла этой трубы, необходимо удвоенное усилие силового блока перфоратора, что требует его усложнение конструкции и увеличение размеров. В выдвижных узлах приведенных аналогов имеются детали, которые контактируют при взаимном перемещении по плоской и цилиндрической поверхностям, при концентрации усилий в одной точке, что вызывает их деформацию и быстрый износ. Все эти недостатки технических решений показывают, что ускорение процесса формирования перфорационной щели с использованием двух накатных дисков в выдвижном устройстве режущего узла гидромеханического щелевого перфоратора приводит к тому, что резко снижается его срок эксплуатации за счет быстрого износа деталей выдвижного устройства и накатных дисков.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принимаемым за прототип, является режущий узел гидромеханического щелевого перфоратора по авторскому свидетельству SU 1789674 A1, Е21В, 43/114 от 23.01.1993 г., режущий узел которого содержит выдвижную обойму с накатным диском, диаметр которого равен диаметру корпуса перфоратора, помещенную в продольный паз корпуса режущего узла, взаимодействующую с выдвижной консолью силового блока перфоратора по средствам пальца, расположенного в наклонном пазу этой обоймы, что является недостатком этой конструкции, так как в данном случае цилиндрическая форма пальца контактирует с наклонной плоскостью паза, где концентрируется большое контактное усилие силового блока перфоратора, что резко увеличивает коэффициент трения при взаимном перемещении этих деталей в рабочем положении и приводит к быстрому их износу. Кроме того, реактивная составляющая от усилия накатного диска направлена на выдвижную консоль, опора которой контактирует с внутренней поверхностью корпуса перфоратора, что при ее перемещении в рабочем положении в абразивной среде приводит к быстрому износу этого корпуса. Использование роликовой опоры корпуса перфоратора в этой конструкции, как показала практика, не целесообразно потому, что геометрические размеры скважины не позволяют разместить в ней ролики и их оси достаточной прочности.
Кроме того, в описании конструкции щелевого перфоратора, принятого за прототип, упоминается, что число режущих роликов (накатных дисков) может быть больше одного, при этом не предусматривается никаких изменений конструкции перфоратора, которая рассчитана на применение в обойме его режущего узла одного режущего ролика (накатного диска).
Известен способ разрушения стенки трубы в режиме пластической деформации металла под накатным элементом. При этом усилие прижатия этого элемента должно превышать предел текучести металла стенки трубы. Следовательно, кинематическая схема и прочностные характеристики деталей режущего узла и силового блока прототипа рассчитаны на предел текучести металла определенного ряда эксплуатационных труб используемых в нефтяной и газовой промышленности.
В случае установки в выдвижной обойме этого перфоратора второго и более режущих роликов (накатных дисков), усилие силового блока, рассчитанная на один режущий ролик (накатной диск) распределится на два и более режущих роликов (накатных дисков), что в два и более раза уменьшит радиальное усилие прижатия каждого из них к стенке трубы, что будет в два и более раза меньше предела текучести металла обсадных труб, применяемых в нефтяной и газовой промышленности. Из этого следует, что предложенная конструкция щелевого перфоратора, при установке в выдвижной обойме его режущего узла двух и более режущих роликов (накатных дисков) не будет соответствовать заявленной области применения этого перфоратора, а именно, перфорации обсаженных скважин в нефтяной и нефтедобывающей промышленности, где применяются металлические обсадные трубы.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение срока эксплуатации режущего узла гидромеханического щелевого перфоратора, в котором используются два накатных диска, работающих одновременно в одной перфорационной щели.
Все это говорит о том, что при установке в выдвижной обойме двух накатных дисков, с целью ускорения формирования перфорационной щели, потребуется удвоить силовое усилие силового блока перфоратора и значит удвоить скорость износа деталей режущего узла.
Технический результат достигается путем уменьшения до минимально возможного расстояния между накатными дисками и создания условий взаимодействия между ними, обеспечивающих снижение рабочих нагрузок на их режущие части, при одновременном изменении условий контактных перемещений деталей, передающих усилия силового блока перфоратора на накатные диски.
Заявленный технический результат достигается тем, что подвижный клин выполнен в одном блоке с выдвижной консолью силового блока перфоратора и имеет в сечении Т-образную форму при наклонной контактной плоскости, а выдвижная обойма, со стороны подвижного клина, имеет в сечении наклонный паз так же Т-образной формы, причем угол наклона его опорной плоскости равен углу наклона опорной плоскости подвижного клина, при этом со стороны неподвижного клина она имеет опорную плоскость, угол наклона которой равен углу наклона неподвижного клина. Такая форма контакта опорных плоскостей позволяет рассредоточить по плоскости контактные нагрузки, в результате чего износ этих контактных узлов резко сокращается. Т-образная форма взаимодействия подвижного клина и выдвижной обоймы позволяет возвращать ее в исходное положение при снижении давления в силовом блоке перфоратора.
В выдвижной обойме установлены два накатных диска, оси которых расположены на продольной оси перфоратора, на расстоянии друг от друга, равном их диаметру. В этом случае размер концевого участка перфорационной щели, где накатной диск работает в автономном режиме и испытывает повышенные нагрузки, будет равен диаметру одного накатного диска, что является минимально возможным при наличии двух накатных дисков, работающих в одной перфорационной щели. Все это позволяет снизить износ накатных дисков и увеличить их срок эксплуатации. Чтобы избежать возможности перекоса выдвижной обоймы во время возвращения ее в исходное положение, оси накатных дисков, за ее пределами, помещены в пазы корпуса режущего узла параллельные углу наклона неподвижного клина.
Кроме расположения накатных дисков в одной обойме поставленная задача решается и путем задания им разного угла заточки режущей части. Учитывая то, что процесс формирования щели происходит при возвратно-поступательном движении перфоратора, а щель в сечении имеет форму клина, который повторяет форму заточки накатного диска, то взаимодействие этих накатных дисков будет характеризоваться тем, что концентрация усилий у накатного диска с большим углом заточки будет располагаться в нижней части клина, а у накатного диска с меньшим углом заточки режущей части в верхней. При этом усилие силового блока перфоратора, необходимое для создания пластической деформации металла стенки обсадной трубы потребуется меньше. Таким образом, перфорационная щель формируется ступенчато, при пониженной нагрузке на накатных дисках, что увеличивает их срок эксплуатации. В зависимости от прочностных характеристик металла обсадных труб, угол заточки накатных дисков может отличаться в пределах 3÷4 градусов.
Конструкция режущей части гидромеханического щелевого перфоратора представлена на чертежах фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 изображена конструкция режущего узла в исходном (транспортном) положении накатных дисков. На фиг. 2 то же, но в положении накатных дисков в конце процесса формирования щели в обсадной колонне.
Режущей узел гидромеханического щелевого перфоратора состоит из силового блока 1, обеспечивающего выдвижение консоли 2, которая выполнена в одном блоке с подвижным клином 15 и с гидромониторной насадкой 3. Подвижный клин имеет в сечении Т-образную форму и взаимодействует с выдвижной обоймой 4, в которой выполнен Т-образный паз, с углом наклона равным углу наклона подвижного клина 15. В обойме 4 установлен накатной диск 5 с осью 6 и накатной диск 8 с осью 9. Оси 6 и 9 этих накатных дисков выступают с обеих сторон обоймы 4 и располагаются в продольных пазах корпуса режущего узла перфоратора 12, которые направлены параллельно углу наклона неподвижного клина 16, являющегося частью съемной скользящей опоры 11. При этом угол наклона неподвижного клина 16 равен углу наклона подвижного клина 15 и направлен в противоположную сторону. В нижней части корпуса перфоратора имеется прижимная втулка 13, закрепляющая с помощью фиксатора 14 скользящую опору 11.
Режущий узел гидромеханического щелевого перфоратора работает следующим образом. При создании давления в силовом блоке 1 перемещается вниз выдвижная консоль 2 с подвижным клином 15, который взаимодействует с выдвижной обоймой 4. В результате чего, усилие силового блока передается на часть обоймы 4, которая взаимодействует с разнонаправленными подвижным 15 и неподвижным 16 клиньями, поэтому возникают радиальные усилия, которые передаются на накатные диски 5 и 8, обеспечивающие пластическую деформацию металла стенки обсадной трубы при возвратно-поступательном перемещении перфоратора. При этом нижняя часть подвижного клина 15 перемещается по плоской внутренней поверхности скользящей опоры 11, в результате чего, реактивные усилия от накатных дисков 5 и 8 распределяются на большую часть этой опоры, поэтому уменьшается износ и увеличивается срок ее эксплуатации.
По окончании процесса резания щели, давление в силовом блоке 1 снижается до 0 атмосфер и выдвижная консоль 2 с подвижным клином 15, под действием усилия пружины силового блока возвращается в исходное положение. При этом, благодаря тому, что подвижный клин 15 и паз в верхней части обоймы 4 имеют сечение Т-образной формы, а оси накатных дисков 5 и 8 выступают за пределы обоймы 4 и располагаются в продольных пазах 7 и 10 корпуса перфоратора 12, которые параллельны углу наклона неподвижного клина 16, обойма 4 с накатными дисками 5 и 8 возвращается в исходное положение.
Результат предложенного технического решения подтвержден стендовыми испытаниями на образце трубы 0 168 мм с толщиной стенки 11 мм, марки Р-110, где базовый перфоратор с одним роликом прорезал образец на семидесятом возвратно-поступательном ходе при давлении в силовом блоке Р=80 атм, а режущий узел по предложенной конструкции, на сороковом возвратно-поступательном ходе при давлении в силовом блоке Р=40 атм. При разборе перфоратора в первом случае были обнаружены следы затупления накатного диска и следы от работы трущихся деталей. Тогда как во втором случае следов затупления накатных дисков и следов от работы трущихся деталей не обнаружено, что свидетельствует о меньших нагрузках на режущий узел при проведении перфорации и, как следствие, об увеличении срока эксплуатации перфоратора.