Режущий узел щелевого перфоратора
CUTTING DEVICE OF SLOT PERFORATOR

Изобретение относится к горному делу, в частности к нефтегазодобывающей промышленности, и может быть применимо в строительстве и ремонте скважин для создания щелевых перфорационных каналов в обсадной колонне скважины.
Из уровня техники известен режущий узел гидромеханического щелевого перфоратора, содержащий корпус, выдвижные режущие диски, установленные на осях, узел крепления с полыми штангами в виде трубы с внутренней резьбой (патент РФ на полезную модель №100802,опубл. 27.12.2010. бюл. №36). Внутри трубы установлена верхняя возвратная пружина с возможностью воздействия на плунжер, расположенный в верхней части корпуса. Плунжер выполнен с каналами для движения жидкости. Выдвижные режущие диски установлены на осях верхнего и нижнего держателей, которые установлены внутри корпуса при помощи пальцев. Верхний держатель закреплен на плунжере, а нижний держатель закреплен на корпусе. Кроме того, держатели выполнены плоскими и расположены в одной плоскости с возможностью отклонения в противоположные стороны при поступательном воздействии плунжера. Взаимодействующие друг с другом рабочие поверхности держателей выполнены на торцах держателей с округлением. Нижний держатель дополнительно снабжен опорной поверхностью с возможностью воздействия на нижнюю пружину, расположенную в стакане-натяжителе. Выдвижные режущие диски выполнены с радиальными выступами различной конфигурации.
Из уровня техники также известен режущий узел гидромеханического щелевого перфоратора, выполнен в корпусе перфоратора и приводится в действие поршнем или плунжером (патент РФ на изобретение №2459932, опубл. 27.08.2012, бюл. 24). Узел содержит выдвижные режущие инструменты, размещенные на держателях, один из которых зафиксирован относительно поршня, а другой - относительно корпуса перфоратора. Держатели выполнены с возможностью взаимодействия и перемещения относительно друг друга с выдвижением режущих инструментов в противоположные стороны при перемещении поршня. Режущий узел перфоратора дополнительно снабжен механизмом приведения выдвигающихся деталей в транспортное положение и фиксации их в этом положении. Этот механизм содержит направляющий паз, выполненный в держателе, зафиксированном относительно корпуса, и тягу, прикрепленную к держателю, зафиксированному относительно поршня. Тяга выполнена с возможностью перемещения по пазу, обеспечивая возврат держателя с пазом в транспортное положение при обратном движении поршня. Механизмом приведения выдвигающихся деталей также содержит выемку, выполненную в держателе, зафиксированном относительно поршня, выполненную в форме, близкой рельефу кромки корпуса, с возможностью фиксации этого держателя в корпусе при отсутствии давления на поршень за счет сцепления кромки корпуса с выемкой держателя. Держатели представляют собой клин-серьги, выполненные с возможностью поворота при взаимодействии их клиновых округлых поверхностей друг с другом. Режущие инструменты смонтированы на держателях в виде дисков, установленных на осях, либо в виде резцов, либо в виде ножей.
Наиболее близким техническим решением, принятым заявителем за прототип является режущий узел, представленный в патенте РФ на изобретение №2682825 (опубл. 21.03.2019. бюл. №9). Режущий узел гидромеханического щелевого перфоратора, выполнен в корпусе перфоратора и приводится в действие поршнем с возможностью воздействия на режущую секцию. Секция включает выдвижные режущие инструменты в виде дисков, которые размещены на одноплечих рычагах и являются держателями, один из которых зафиксирован относительно поршня, а другой - относительно корпуса перфоратора. Одноплечие рычаги выполнены с возможностью взаимодействия и перемещения относительно друг друга с выдвижением режущих инструментов в противоположные стороны при перемещении поршня Режущий узел имеет возможность приведения выдвигающихся деталей в транспортное положение и содержит направляющий паз, выполненный в одноплечем рычаге, зафиксированном относительно корпуса. Режущий узел содержит также и тягу, прикрепленную к одноплечему рычагу, зафиксированному к поршню, и выполненную с возможностью перемещения по пазу с обеспечением возврата одноплечего рычага с пазом в транспортное положение при обратном движении поршня. Режущий узел щелевого перфоратора содержит дополнительную режущую секцию, выполненную симметрично относительно горизонтальной оси и повернутую в вертикальной плоскости. В нижней части корпуса оппозитно установлен дополнительный поршень, который взаимодействует с дополнительной режущей секцией. Обе режущие секции развернуты под углом вокруг оси перфоратора и смещены по вертикали друг относительно друга из условия перекрытия мертвой зоны перфорации. При этом, одноплечие рычаги выполнены в виде секторов с возможностью взаимодействия по сопряженным дугам окружности.
Недостатками известных устройств является сложность конструкции, что делает их не надежными в эксплуатации. Передача воздействия давления рабочей жидкости на режущие узлы в известных конструкциях происходит через толкатель (поршень, плунжер). Возникающее при этом динамическое усилие передается последовательно от толкателя к верхнему режущему элементу, а от него к нижнему режущему элементу посредством системы, в составе которой несколько кинематических пар и шарнирные соединения. Такие системы характеризуются низкой жесткостью и чувствительны к самодеформации и самозаклиниванию. Кроме того, последовательная передача динамического воздействия нижнему режущему элементу через верхний режущий элемент приводит к неравномерному распределению нагрузки на эти элементы, что способствует преждевременному износу устройства снижению его срока службы. Так же неравномерное распределение усилия на режущие элементы приводит к ухудшению качества перфорационных щелей и к недорезанию щели нижним режущим элементом.
Задачей изобретения является создание простого в изготовлении и надежного в эксплуатации режущего узла щелевого перфоратора, обеспечивающего безаварийную работу и способного одновременно сформировать одинаковые перфорационные щели в обсадной колонне скважины любой конструкции.
Технический результат заключается в упрощении конструкции режущего узла с одновременным обеспечением передачи одинакового динамического усилия от рабочей жидкости к режущим элементам, за счет создания жесткой кинематической системы, характеризующейся увеличением контактной области взаимодействующих элементов.
Технический результат достигается тем, что режущий узел щелевого перфоратора, содержит корпус, размещенный в нем толкатель, установленные на осях верхний и нижний режущие диски и механизм их выдвижения. Новым является то, что механизм выдвижения режущих дисков выполнен в виде жестко связанных с поршнем-толкателем оппозитных пластин и снабжен опорными элементами, разделяющими режущую секцию по вертикали на отдельные зоны, в каждой из которых оппозитно установлены на опорных элементах с возможностью радиального выдвижения держатели, между которыми закреплены режущие диски. Держатели размещены между пластинами и снабжены наклонными пазами, а пластины - наклонными выступами, находящимися в зацеплении с наклонными пазами держателей с возможностью перемещения по ним. Выступы пластин и взаимодействующие с ними пазы держателей, расположенные в разных отдельных зонах, выполнены с симметричным наклоном относительно горизонтали.
Величина выхода из корпуса режущих дисков превышает величину выхода из корпуса держателей. Величина хода выступов пластин по пазам держателей соответствует величине хода выдвижения режущих дисков.
Выдвижение дисков осуществляется за счет скользящего контакта выступов пластин с продольным пазом, а держателей с опорными элементами. Жесткое соединение толкателя с пластинами, снабженными выступами, разделение режущей секции на отдельные зоны и расположение в них съемных опорных элементов позволили разместить и закрепить установленные на осях режущие диски автономно, что обеспечивает, при необходимости, отдельный доступ к каждому режущему диску, что упрощает ремонт и обслуживание режущего узла перфоратора.
Вариант выполнения заявляемого технического решения иллюстрирует режущий узел щелевого механического перфоратора общий вид, которого представлен на фиг. 1; на фиг. 2 - разрез по А-А; на фиг. 3 - разрез по Б-Б; на фиг. 4 - режущий узел щелевого перфоратора в транспортном положении (3D); на фиг. 5 - разрез по В-В; на фиг. 6 - режущий узел щелевого перфоратора в рабочем положении (3D).
Режущий узел щелевого механического перфоратора содержит корпус 1, в котором выполнены окна 2 и размещены поршень-толкатель 3, установленные на осях 4 верхний и нижний режущие диски 5 и механизм их выдвижения 6 (Фиг. 1).
Механизм выдвижения 6 содержит две оппозитно расположенные пластины 7, жестко связанные сверху с поршнем-толкателем 3 и снизу с кронштейном 8, расположенным в нижней части корпуса 1. Кронштейн 8 может быть связан с пружиной 14, являющейся частью механизма возврата перфоратора в транспортное положение. Кроме того, в состав механизма выдвижения 6 режущих дисков 5 входят опорные элементы 9 и держатели 10, размещенные между пластинами 7 (Фиг. 2 и Фиг. 3). Опорные элементы 9 являются съемными и размещены в корпусе 1 таким образом, что разделяют режущую секцию на две отдельные зоны - верхнюю и нижнюю. В каждой отдельной зоне на уровне окон 2 расположены закрепленные на осях 4 режущие диски 5 и оппозитные держатели 10, установленные на опорных элементах 9 с возможностью радиального выдвижения по направлению к стенкам скважины.
Оси 4 режущих дисков 5 установлены в отверстиях, выполненных в держателях 10. Оси 4 и режущие диски 5 могут быть выполнены как одна цельная деталь. Опорные элементы 9 установлены в окнах 2 и удерживаются от выпадения держателями. Возможен вариант выполнения опорных элементов 9 и корпуса 1 в виде цельной детали. Держатели 10 выполнены в форме прямоугольных пластин и снабжены наклонными продольными пазами 11. Пластины 7 выполнены с радиусной внешней поверхностью и снабжены на внутренней поверхности наклонными выступами 12, расположенными с возможностью скользящего контакта по пазам 11. Пазы 11 держателей 10 и выступы 12 пластин 7, расположенных в отдельных зонах выполнены с симметричным наклоном относительно горизонтали, что обеспечивает выдвижение режущих дисков в противоположные стороны. Пластины 7 жестко скреплены с поршнем-толкателем 3 и кронштейном 8 крепежными элементами 13.
В транспортном положении режущие диски 5 скрыты внутри корпуса 1 (Фиг. 4 и Фиг. 5).
Работа режущего узла механического щелевого перфоратора осуществляется следующим образом.
Механический перфоратор с размещенным в нем режущим узлом спускают в скважину до интервала скважины, подлежащего перфорации.
Подаваемая под давлением в перфоратор рабочая жидкость поступает к поршню-толкателю 3 и воздействует на жесткий каркас, образованный соединенными между собой поршнем-толкателем 3, кронштейном 8 и пластинами 7, который перемещается вниз в вертикальном направлении на величину рабочего хода «Н» (Фиг. 6). При перемещении пластин 7 в осевом направлении происходит взаимодействие выступов 12, находящихся в зацеплении с пазами 11. Наклонные выступы 12, перемещаясь по наклонным пазам 11 держателей 10, выдвигают их и режущие диски 5 по направлению к стенкам скважины на величину хода «S» (Фиг. 6). При этом держатели 10 радиально перемещаются по опорным элементам 9 и выдвигают режущие диски 5 верхней и нижней зоны из окон 2 корпуса 1. За счет симметричного относительно горизонтали наклона выступов и пазов, расположенных в отдельных зонах, режущие диски 5 выдвигаются в противоположные стороны и воздействуют на стенки скважины с одинаковым усилием, обеспечивающим одновременное образование одинаковых перфорационных щелей.
По окончании перфорации подача рабочей жидкости прекращается и под действием пружины 14 режущий узел переводится в транспортное положение.
Предложенный к патентованию режущий узел щелевого перфоратора является простым и надежным устройством, обеспечивающим эффективную обработку продуктивного пласта с высоким качеством и экономию технологического времени.