ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПЕРФОРАТОР
HYDROMECHANICAL PERFORATOR

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области вторичного вскрытия созданием перфорационных каналов в эксплуатационной колонне (ЭК).
Известен гидромеханический перфоратор (ГП), содержащий гидропривод, клин, каретки с ножами, возвратную пружину (патент RU №2098607 МПК Е21В 43/114, опубл. 10.12.1997 в бюл. №34).
Его недостатками являются сложность конструкции и ненадежность, так как он содержит сложную систему гидропривода с клином, установленным на свободно плавающем поршне, не связанном с колонной технологических труб, что может приводить к осложнениям с извлечением, так как при застревании ножа в проколотом отверстии созданное сверху натяжение технологических труб не создаст усилия перемещения клина относительно корпуса.
Наиболее близким по своей технической сути к предлагаемому является гидромеханический перфоратор (патент RU №2487990 МПК Е21В 43/114, опубл. 20.07.2013 в бюл. №20), содержащий гидропривод, соединенный с колонной технологических труб с клином на нижнем конце, причем выходной шток гидропривода соединен с толкателем, взаимодействующим с каретками, на которых установлены ножи, а один из поршней гидропривода снабжен возвратной пружиной.
Недостатками этого перфоратора являются малая глубина прокалывания отверстия из-за того, что в транспортном положении острия ножей не должны выходить за габариты ГП, а выходной шток ограничивает смыкание кареток и соответственно высоту ножей, а также недостаточность усилия одной пружины для возврата перфоратора в исходное положение, так как необходимо преодолеть трение поршней и штоков, а также возможные перепады давления в гидроприводе, например, из-за низкого уровня жидкости в скважине и разности плотностей рабочей и скважинной жидкостей. Кроме того, острие ножей быстро изнашивается из-за больших усилий и трения его об ЭК.
Техническими задачами, решаемыми предлагаемым гидромеханическим перфоратором, являются увеличение глубины проникновения ножей в стенку эксплуатационной колонны и цемент, а также повышение надежности извлечения перфоратора из скважины и износостойкости и срока службы ножей.
Технические задачи решаются гидромеханическим перфоратором, содержащим гидропривод, состоящий из по меньшей мере двух цилиндров с поршнями, верхний из которых соединен с колонной технологических труб, а к нижнему присоединен клин, по которому перемещаются с помощью выходного штока гидропривода и толкателя с пазами каретки с ножами.
Новым является то, что толкатель соединен с выходным штоком гидропривода боковыми тягами, размещенными с двух сторон клина, а поршни снабжены возвратными пружинами, размещенными в каждом из цилиндров, причем все пружины предварительно сжаты.
Новым является также то, что боковые тяги выполнены в виде штоков с резьбовыми соединениями.
Новым является также то, что боковые тяги выполнены в виде боковых накладок, соединяемых с выходным штоком.
Новым является также то, что ножи выполнены с твердосплавными вставками, размещенными на их острие.
На фиг. 1 показан гидромеханический перфоратор с боковыми тягами в виде штоков, а на фиг. 2 - вид Б фиг. 1. На фиг. 3 - поперечный разрез А-А фиг. 1.
На фиг. 4 показан гидромеханический перфоратор с тягами в виде боковых накладок, на фиг. 5 - вид Д фиг. 1, на фиг. 6 - поперечный разрез В-В фиг. 4, а на фиг. 7 - нож с твердосплавной вставкой.
Гидромеханический перфоратор (ГП) (фиг. 1, 2, 3) содержит гидропривод 1, состоящий, например, из двух соединенных между собой цилиндров 2 с отверстием 3 в верхней части, внутри которых размещены столько же поршней 4 с полыми штоками 5 и отверстиями 6 ниже поршней 4, сообщающими полость 7 полых штоков 5 с подпоршневым пространством 8.
К нижнему поршню 4 присоединен выходной шток 9 с утолщением 10, к которому присоединены на резьбе 11 две боковые тяги, выполненные в виде цилиндрических штоков 12. Другим концом цилиндрические штоки 12 присоединены к толкателю 13 с пазом 14 и прямоугольным отверстием 15. В каждом цилиндре 2 установлены предварительно сжатые пружины 16.
К нижнему цилиндру 2 присоединен (см. фиг. 2 и 3) клин 17 с буртом 18, по которому перемещаются каретки 19 с ножами 20. Нижние торцы кареток 19 взаимодействуют с пазом 14 толкателя 13 (фиг. 1).
К верхнему цилиндру 2 через головку 21 присоединена колонна технологических труб 22.
На фиг. 4, 5, 6 боковые тяги выполнены в виде двух боковых накладок 23, соединенных с выходным штоком 9 цилиндрическим пазом 24 с помощью утолщения 10, а между собой - болтом 25 и резьбовой втулкой 26. На внутренней поверхности накладок 23 выполнены пазы 27 для поперечного перемещения кареток 19.
На фиг. 7 показана в увеличенном виде каретка 19 с ножом 20, на острие которого установлена, например, пайкой, твердосплавная вставка 28.
Работает ГП следующим образом. После спуска его в заданный интервал скважины (на фигурах не показана) на колонне технологических труб 22 (фиг. 1, 2, 3), присоединенных к головке 21 ГП, в трубы 22 подают жидкость под давлением, которая через полость 7 штоков 5 и отверстия 6 поступает в подпоршневое пространство 8. Под действием давления жидкости поршни 4 двигаются вверх, преодолевая усилие всех предварительно сжатых пружин 16 и перемещая выходной шток 9, который через утолщение 10 и цилиндрические штоки 12 с резьбовым соединением 11 перемещает толкатель 13, который перемещает через паз 14 каретки 19 с ножами 20 по клину 17 с буртом 18.
Двигаясь по клину 17, каретки 19 раздвигаются радиально, перемещаясь в пазах 14, доходят до упора ножами 20 в стенку ЭК (на фигурах не показана), прокалывают ее и продолжают углубляться до упора во внутреннюю поверхность ЭК наружной поверхностью кареток 19.
После снижения давления в технологических трубах 22 поршни 4 со штоками 5, выходным штоком 9, цилиндрическими штоками 12 и каретками 19 под действием их веса и пружин 16 перемещаются вниз, ножи 20 выходят из проделанных отверстий и каретки 19, перемещаясь по клину 17, за счет буртов 18 занимают нижнее транспортное положение. Предварительно сжатые пружины 16 обеспечивают возврат кареток 19 в крайнее нижнее положение.
ГП готов к подъему или повторению операции.
После этого ГП либо поднимают из скважины, либо перемещают в другой интервал скважины и повторяют операцию.
ГП, у которого боковые тяги выполнены в виде боковых накладок 23 (фиг. 4, 5, 6), работает точно так же, при этом усилие гидропривода от выходного штока 9 передается через утолщение 10 и цилиндрический паз 24 на накладку 23, а роль толкателя 13 выполняет паз 27, по которому каретки 19 перемещаются радиально.
Выполнение ножей 20 с твердосплавной вставкой 28 (фиг. 7) снижает их износ и позволяет увеличить количество отверстий, выполняемых за один спуск ГП в скважину, без подъема перфоратора и замены ножей 20.
Количество цилиндров зависит от усилия прокалывания, которое в свою очередь зависит от толщины стенки и материала ЭК. Так как диаметр цилиндров и поршней ограничен размерами ЭК, то необходимое усилие добирают увеличением количества цилиндров и поршней, усилия которых складываются на выходной шток 9.
Таким образом, применение боковых тяг в виде штоков 12 или в виде боковых накладок 23 для перемещения кареток 19 с ножами 20 вместо выходного штока 10 позволяет сблизить каретки 19 в транспортном положении до соприкосновения, т.е. на величину радиуса выходного штока 9. На эту же величину можно увеличить высоту ножей 20 и, соответственно, глубину перфорационного канала.
Боковые тяги 12, выполненные в виде цилиндрических штоков 12, имеют ограниченное сечение из-за сложности размещения их с большим диаметром, поэтому ГП с ними ограничен по толщине прокалываемой стенки, из-за ограниченности допустимых нагрузок требует применения высокопрочных сталей, а боковые тяги в виде боковых накладок 23 имеют большое поперечное сечение, что снимает все эти ограничения. Кроме того, их применение упрощает сборку и разборку ГП: приложив с двух сторон клина 17 боковые накладки 23, стягивают их болтом 25 и наворачивают на нижний конец резьбовую втулку 26.
Размещение предварительно сжатых пружин 16 в каждом цилиндре 2, количество которых, особенно в ГП для скважин малого диаметра, может быть 3-5, да еще с предварительным натягом, гарантируют возвращение кареток 19 в транспортное положение даже в горизонтальных скважинах, где вес поршней 4 и полых штоков 5 не участвует в этом процессе.
В настоящее время расширяется применение скважин малого диаметра, в т.ч. и с горизонтальными стволами. Поскольку толщина стенки там практически такая же, как и в традиционных, то усилие для прокалывания остается таким же, как в традиционных скважинах, а так как площадь сечения поршней 4 меньше, увеличивается их количество. Пружины 16 должны вернуть поршень 4 и каретки 19 в транспортное положение, т.е. пружины 16 и их натяг должны как минимум обеспечить преодоление сил трения до самого транспортного положения.
Таким образом, предложенный ГП увеличивает глубину прокалываемого отверстия, обеспечивает многократное прокалывание, повышает надежность извлечения его из скважины.