Гидромеханический прокалывающий перфоратор
HYDROMECHANICAL PIERCING PERFORATOR

Изобретение относится к области нефтегазодобычи, а более конкретно к технике перфорации труб при вторичном вскрытии нефтяных и газовых скважин.
В практике нефтегазодобычи находит широкое применение механическая перфорация, осуществляемая сверлящими и прокалывающими перфораторами.
Например, из патента РФ №2381929 известен прокалывающий перфоратор, содержащий корпус, подпружиненную пару "поршень-шток", образующую в корпусе надпоршневую, подпоршневую и подштоковую камеры, рабочий поршень в подштоковой камере с размещенным на нем прокалывающим инструментом, энергопривод, подающий рабочую жидкость в надпоршневую камеру. Подача рабочей жидкости осуществляется насосным агрегатом, размещенным на устье скважины, по насосно-компрессорным трубам, на которых установлен перфоратор. Однако известный прокалывающий перфоратор требует использования дорогостоящего оборудования, что влечет большие материальные затраты. А кроме того он характеризуется относительно невысокой производительностью. Это обусловлено применением в составе энергопривода насосного агрегата, а также использованием насосно-компрессорных труб (НКТ), которые требуют замены после каждой операции вторичного вскрытия.
Из патента РФ №104620 известен перфоратор гидромеханический клиновой, в котором резец выполнен в виде клина и жестко связан с поршнем, двигающемся в направлении, перпендикулярном оси перфоратора. Поршень является частью гидроцилиндра и перемешается от оси перфоратора при повышении давления жидкости под ним. Внутри корпуса перфоратора выполнено отверстие, которое сообщает полость насосно-компрессорной трубы с пространством под поршнем. Резец выполнен полым. В конструкции перфоратора имеется золотник с фаской, который связан с корпусом перфоратора пружиной, при этом в корпусе перфоратора имеется канал для прохода рабочей жидкости из пространства под поршнем в пространство вне корпуса перфоратора через место установки золотника.
Его недостатком является то, что в данной конструкции имеется две пружины. В случае поломки одной из пружин, или засорения канала золотника может произойти перекос поршня, что может способствовать заклиниванию поршня. В случае заклинивания поршня в сложенном состоянии, перфоратор не будет работать, не сделает перфорацию. В случае, когда поршень заклинит в выдвинутом состоянии, произойдет аварийная ситуация, когда перфоратор застрянет в обсадной трубе, так как поршень не вернется в свое первоначальное сложенное состояние.
Известен прокалывающий перфоратор с управлением от электропривода по патенту РФ на полезную модель №133190. Применяется в нефтегазовой отрасли при ремонте нефтяных, газовых и других скважин для восстановления циркуляции. Гидростатическое давление, требуемое для прокалывания трубы, создается установкой над корпусом перфоратора гидроусилителя и золотникового клапана. Срабатывание золотникового клапана осуществляется с устья скважины через геофизический кабель и электропривод, размещенный в верхней части перфоратора. Прокалывание трубы осуществляется прокалывающим инструментом, размещенным на инструментальном поршне, установленном в полости корпуса перфоратора. В сбросовую камеру, после завершения прокалывания через дроссельное отверстие, сбрасывается рабочая жидкость. Недостатком перфоратора является сложность конструкции.
Известен прокалывающий перфоратор по патенту РФ на изобретение №2129655. Перфоратор содержит корпус, подпружиненную пару поршень-шток, образующую в корпусе надпоршневую, подпоршневую и подштоковую камеры, рабочий поршень в подштоковой камере с размещенным на нем прокалывающим инструментом и энергопривод. Энергопривод подает рабочую жидкость и выполнен в виде герметично установленной на корпусе трубы с приборной головкой и с расположенным внутри нее источником нагрева. Между корпусом и энергоприводом установлен переходник. Он снабжен перепускным клапаном, срабатывающим от пропущенных через герметичную трубку проводов и соединяющим надпоршневую, подпоршневую камеры и полость трубы энергопривода каналами и перископической трубкой. Приборная головка и переходник снабжены предохранительными клапанами. Они срабатывают при давлениях в надпоршневой и подпоршневой камерах, превышающих расчетные значения. Недостатком прокалывающего перфоратора является наличие источника нагрева и электрического кабеля.
Известен прокалывающий перфоратор по патенту РФ на изобретение №2172394. Перфоратор содержит корпус с каналами для рабочей жидкости, двигатель с гидравлическим насосом, рабочий цилиндр и поршень с установленным в нем инструментом для формирования канала. На оси рабочего цилиндра и на наружной стороне корпуса, оппозитно инструменту для формирования канала, установлена опора для упора в стенку колонны.
Однако указанный известный перфоратор не обеспечивает достаточную продолжительность работы, так как в условиях перфорации образуется взвесь из частиц песка и породы пласта, что быстро выводит из строя двигатель с гидравлическим насосом.
Известен прокалывающий перфоратор для нефтяных и газовых скважин по патенту РФ на изобретение №2070959. Указанный перфоратор содержит корпус с каналами для подвода рабочей жидкости. В корпусе помещен поршень. На поршне помещен породоразрушающий инструмент. Для подачи рабочей жидкости служит насос. Корпус и поршень выполнены в виде эквидистантных цилиндров, образованных направляющими в виде эллипсов или прямоугольников или синусоид или сочетанием этих направляющих. Поршень выполнен с возвратными пружинами. Корпус в подпоршневом пространстве выполнен со сквозными отверстиями. Они имеют меньшее сечение, чем сечение канала для подвода рабочей жидкости.
Недостатком известного перфоратора является низкая надежность его конструкции, связанная с отсутствием ограничителя рабочего хода, возможностью заклинивания поршня на направляющих, на которых установлены пружины, необходимость уплотнения направляющих относительно поршня.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является односторонний прокалывающий перфоратор (Патент РФ №179004). Перфоратор включает корпус с каналом для подвода промывочной жидкости и с резьбой для крепления перфоратора к колонне труб, в корпусе с возможностью перемещения перпендикулярно центральной оси установлен овальный поршень с возвратными пружинами и режущим инструментом, на наружной поверхности которого выполнены гидромониторные каналы для выхода промывочной жидкости при формировании каверн, в качестве возвратных использованы две плоские пружины, установленные с двух сторон поршня в пазах симметрично относительно центра напротив друг друга и закрепленные винтами. Причем пазы в продольном разрезе корпуса повторяют профиль пружины в транспортном положении перфоратора, а на боковой поверхности поршня, с двух сторон выполнены дополнительные пазы, которые взаимодействуют с входящими в них ограничительными штифтами. Ширина паза больше ширины установленной в нем пружины. Края пружины с двух сторон скруглены. Для крепления каждой пружины используется не менее двух винтов. Пружины имеют одинаковые нагрузочные характеристики. Плоские пружины выполнены из пружинной стали.
Недостатком указанного известного перфоратора является то, что в его конструкции две пружины установлены независимо друг от друга и при выходе из строя хотя бы одной обязательно будет происходить перекос в движении поршня и заклиниванию его в полости корпуса, так как усилие пружины на грань клина будет отклонять ось направления движения клина и поршня. Все это снижает надежность работы перфоратора.
Кроме того, согласно чертежу, в известном перфораторе овальный поршень и режущий инструмент выполнены в виде одной целой детали, что усложняет технологию изготовления, снижает ремонтопригодность. Недостатком является невозможность произвести аварийный подъем перфоратора, в случае, когда клин вышел за корпус, в виду отсутствия ограничителя хода поршня, и поршень вышел за края корпуса перфоратора и клин застрял в проколотом отверстии. В данном случае поршень при своем максимальном выходе расклинивает корпус перфоратора между стенками обсадной трубы.
Вместе с этим, ввиду того, что в конструкции известного перфоратора присутствует лишь один режущий инструмент, сложно добиться точной центровки перфоратора в скважине при работе, что приводит к недостаточному выдвижению режущего инструмента за обсадную трубу, а значит - к недостаточной глубине разрушения цементного камня. Кроме того, это может спровоцировать перекос перфоратора.
Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в повышении эксплуатационной надежности перфоратора за счет снижения вероятности перекосов и заклинивания режущего инструмента.
Дополнительным техническим результатом является упрощение конструкции за счет выполнения поршня и режущего инструмента разъемными, а также за счет использования цельной единой пружины. Это также обеспечивает ремонтопригодность перфоратора.
Поставленный технический результат достигается предлагаемым гидромеханическим прокалывающим перфоратором, включающим корпус с каналом для подвода промывочной жидкости и с резьбой для крепления перфоратора к колонне труб, в несквозной полости корпуса с возможностью радиального перемещения установлен овальный поршень с режущим инструментом, оборудованным гидромониторной насадкой, выполненной с возможностью гидравлического сообщения с каналом для подвода промывочной жидкости через канал поршня, при этом новым является то, что в корпусе выполнена, по меньшей мере, одна несквозная полость с размещенным в ней овальным поршнем с режущим инструментом, режущий инструмент снабжен витой пружиной, охватывающей тело указанного инструмента, при этом указанная пружина выполнена с возможностью контакта с поверхностью поршня, а несквозная полость корпуса выполнена овальной и снабжена заглушкой, в которой выполнена прорезь для выхода режущего инструмента, при этом соотношение площади поперечного сечения поршня к площади поперечного сечения корпуса перфоратора составляет 0,8÷5 к 1 соответственно.
Режущий инструмент выполнен в виде клина.
Клин жестко соединен с поршнем посредством винтового соединения.
При выполнении в корпусе несквозных полостей с поршнем более одной, они выполнены со смещением по высоте.
Ориентирование указанных несквозных полостей выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга.
Вышерасположенная полость гидравлически сообщена с нижерасположенной полостью.
Витая пружина имеет в поперечном сечении габаритного размера форму прямоугольника или овала.
Низ корпуса снабжен обратным клапаном для промывки внутренних полостей корпуса перфоратора.
При выполнении в корпусе одной несквозной полости с поршнем с режущим инструментом на наружной стороне корпуса, оппозитно режущему инструменту, установлена опора для упора в стенку колонны.
Площадь поперечного сечения габаритного размера пружины у основания режущего инструмента составляет не менее 50% площади поперечного сечения поршня.
Указанный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому, что режущий инструмент снабжен витой пружиной, в преимущественном исполнении витая пружина имеет в поперечном сечении форму прямоугольника, которая охватывает тело указанного инструмента, и выполнена с возможностью обязательного контакта с поршнем (фактически это означает, что поперечное сечение витка пружины выполнено не менее поперечного сечения основания клина), то фактически эта пружина будет взаимодействовать с поршнем, обеспечивая равномерное воздействие на него, а не на клин, как в прототипе, за счет чего и будет обеспечено равномерное движение самого поршня, а значит, будут исключены перекосы режущего инструмента и его заклинивание.
Использование в предлагаемом перфораторе цельной единой пружины исключает недостаток прототипа, в котором две независимые пружины, при поломке хотя бы одной из них возможен перекос и заклинивание режущего инструмента. В предлагаемом перфораторе такой перекос из-за пружины фактически невозможен. То есть этим обеспечивается надежность эксплуатации, а также упрощение конструкции (единую пружину установить проще, чем две независимые пружины).
Снабжение несквозной полости корпуса заглушкой, в которой выполнена прорезь для выхода режущего инструмента, обеспечивает равномерное поджатие пружины к поршню, что в свою очередь позволит поршню равномерно осуществлять движение в радиальном направлении со стабильным выходом-входом режущего инструмента, в преимущественном варианте, выполненном в виде клина, т.к. прокалывающее усилие режущего инструмента именно такой формы будет максимальным, т.е. будет обеспечена надежная работа. Кроме того, эта галушка предотвратит неконтролируемый выход поршня за пределы корпуса, что исключит аварийную ситуацию и повысит надежность работы перфоратора.
Благодаря тому, что в предлагаемом перфораторе полость в корпусе и поршень выполнены овальными, появилась возможность увеличить поперечное сечение поршня, а значит и его усилие по выдвижению режущего инструмента (за счет фактического разворота поршня поперек оси корпуса перфоратора за счет овальности). Этот овальный поперечно установленный поршень может иметь сечение большее в несколько раз, чем у круглого поршня в известных перфораторах, диаметр которого всегда будет ограничен диаметром корпуса перфоратора. Или при максимальном размере поршня стенки цилиндра не позволяют сделать данный узел прочным на разрыв. А размер овальной полости и размещенного в ней овального поршня может быть ограничен лишь длиной перфоратора. Этим и объясняется выбор соотношения площади поперечного сечения поршня к площади поперечного сечения корпуса перфоратора как (0,8-5) к 1 соответственно. За счет этого параметра стало возможным увеличить силовое воздействие поршня на клин, а значит увеличить прокалывающее усилие, при этом, не уменьшая стенки цилиндра (ограниченные диаметром перфоратора) и прочность корпуса перфоратора.
Причем этот параметр тесно связан с наличием пружины, охватывающей режущий инструмент, т.к. даже при таком увеличенном поперечном сечении поршня, можно, например, увеличивать диаметр витков пружины и длину пружины (иными словами, площадь поперечного сечения геометрической формы пружины у основания режущего инструмента должна составлять не менее 50% площади поперечного сечения поршня) и за счет этого обеспечить равномерность радиального движения поршня с клином без перекосов. Все это в совокупности позволит повысить эксплуатационную надежность перфоратора. Выбор вышеуказанного параметра 0,8-5 к 1 обусловлен тем, что при соотношении поперечного сечения поршня менее 0.8 к 1 поперечного сечения корпуса перфоратора 1 не будет обеспечено достаточное усилие при выдвижении поршня и меньшее давление клина на стенку обсадной трубы, что не позволит произвести прокол, а при соотношении больше, чем 5 к 1 поперечного сечения корпуса перфоратора может пострадать прочность корпуса, и только при заявленном соотношении 0,8-5 к 1 сила давления жидкости на поршень будет способствовать уверенному прокалыванию стенки обсадной трубы. Чем выше соотношение (т.е. ближе к 5), чем более прочную марку трубы способен проколоть перфоратор.
Выбор численного значения такого параметра, как «площадь поперечного сечения пружины у основания режущего инструмента должна составлять не менее 50% площади поперечного сечения поршня» обусловлен тем, что при величине менее 50% растет риск перекоса пружины. Уменьшается размер поперечного сечения геометрической формы, пружина становится меньше и имеет меньшее усилие при сжатии, что снижает ее эффективность для задвигания поршня в исходное положение (в закрытое состояние).
Выполнение в предлагаемом перфораторе разъемными поршень и режущий инструмент - клин, обеспечивается упрощение конструкции, а жесткое соединение клина с поршнем посредством винтового соединения обеспечит жесткость и всей рабочей конструкции, а значит ее надежность.
Возможность выполнения в корпусе со смещением по высоте нескольких полостей, с установленным в каждой из них поршнем с режущим инструментом, да еще, если ориентирование указанных несквозных полостей будет выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга, позволит повысить производительность перфоратора, гарантирует точное центрирование при работе и снизит риск его перекоса, что повысит эксплуатационную надежность перфоратора. На это же работает и то, что при использовании лишь одной полости с поршнем на наружной стороне корпуса, оппозитно режущему инструменту, рекомендуется устанавливать опору для упора в стенку колонны.
Благодаря тому, что вышерасположенная полость гидравлически сообщена посредством гидравлического канала с нижерасположенной полостью, обеспечивается одновременное выдвижение поршней и прокалывающих клиньев с возможностью прокалывания в различных направлениях в заданном интервале и возможностью намыва каверн практически в одной плоскости поперечного сечения обсадной трубы и пласта. Также обеспечивается центрирование перфоратора в обсадной трубе.
Таким образом, совокупность указанных конструктивных признаков заявляемого перфоратора обеспечит надежную работу перфоратора, за счет исключения перекосов и заклинивания режущего инструмента.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен предлагаемый перфоратор в разрезе в сложенном состоянии (в транспортном); на фиг. 2 приведен вид поршня с режущим инструментом и пружиной в разложенном состоянии (в рабочем, когда происходит прокол).
Заявляемый перфоратор содержит корпус 1 с каналом 2 для подвода промывочной жидкости и с резьбой 3 для крепления перфоратора к колонне труб и/или к сбивному клапану. В овальной несквозной полости 4 корпуса 1 с возможностью радиального перемещения установлен овальный поршень 5 с режущим инструментом 6, преимущественно, выполненный в виде клина. Причем клин 6 жестко соединен с овальным поршнем 5 посредством винтового соединения 10. Режущий инструмент 6 оборудован гидромониторной насадкой и/или гидромониторным каналом 7, выполненным с возможностью гидравлического сообщения с каналом 2 для подвода промывочной жидкости через канал поршня 8. Режущий инструмент 6 снабжен витой пружиной 9, преимущественно, прямоугольного или овального сечения (т.к. основание клина может иметь прямоугольное или овальное сечение), охватывающей тело указанного инструмента. Причем указанная пружина 9 выполнена с возможностью контакта с поверхностью поршня, и в преимущественном варианте, для обеспечения большего охвата опирается на плоскость поршня и размещается витками между стенкой цилиндра и телом клина, а противоположной своей стороной упирается в заглушку 11 с пазом 12 для выхода клина 6, что влечет за собой эксплуатационной надежность. Площадь поперечного сечения пружины 9 у основания режущего инструмента 6 составляет не менее 50% площади поперечного сечения овального поршня 5. Несквозная полость 4 корпуса 1 снабжена заглушкой 11, в которой выполнена прорезь 12 для выхода режущего инструмента 6. При этом соотношение площади поперечного сечения поршня 5 к площади поперечного сечения корпуса 1 перфоратора составляет 0.8-5 к 1 соответственно.
Например использовался перфоратор диаметром корпуса 118 мм, имеющий площадь поперечного сечения корпуса 10930 кв.мм для обсадной трубы диаметром 146 мм (внутренний диаметр 139 мм). Площадь поперечного сечения овального поршня составляет 11226 кв.мм. Соотношение поперечного сечения корпуса к поперечному сечению поршня было как 1 к 1,027. Использовалась пружина прямоугольной геометрической формы в поперечном сечении с диаметром проволоки 3 мм. Размеры пружины длина 160 мм, ширина 50 мм, высота 35 мм.
В предлагаемом перфораторе могут быть установлены несколько поршней 5 с режущим инструментом 6, причем в этом случае они могут быть выполнены со смещением по высоте корпуса 1. А ориентирование указанных несквозных полостей выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга, например, на угол от 30 до 270 градусов. При этом вышерасположенная полость 4 гидравлически сообщена с нижерасположенной полостью каналом 13.
Низ корпуса 1 может быть снабжен обратным клапаном, установленным на резьбе 15 для промывки внутренних полостей корпуса перфоратора. А в верхней части корпуса 1 перфоратора установлен на резьбе сбивной узел (на чертеже не показан), который при использовании сбивного шарика может переместить седло и срезать сбивные клапана, для сброса давления в аварийных ситуациях или при окончании работы для подъема перфоратора.
При выполнении в корпусе только одной несквозной полости с поршнем с режущим инструментом на наружной стороне корпуса 1, оппозитно режущему инструменту 6, может быть установлена опора для упора в стенку колонны, чтобы снизить вероятность перекоса.
Перфоратор работает следующим образом. Корпус перфоратора 1 закрепляют, используя резьбу 3, через сбивной клапан на колонне труб НКТ и спускают в скважину, в интервал перфорации. Привязывают перфоратор геофизическими методами к интервалу перфорации. При подключении насосных агрегатов промывочная жидкость по тубам НКТ под давлением поступает перфоратор. Через канал 2 промывочная жидкость поступает в полость 4 и начинает воздействовать на внутреннюю стенку поршня 5, выдвигая его из полости 4, освобождая в этой полости пространство 14. Под действием давления поршень 5 с режущим инструментом 6 выдвигается перпендикулярно центральной оси перфоратора до сжатия пружины 9, которая упирается в заглушку 11. При этом поршень 5 сжимает возвратную пружину 9, и режущий инструмент 6 прокалывает трубу. Промывочная жидкость через отверстия 7 в режущем инструменте 6 под высоким давлением поступает наружу, размывая породу. Образуются каналы, обеспечивающие приток нефти. После завершения перфорации, подачу промывочной жидкости прекращают. Давление в трубах НКТ снижают, снижается давление в полости 4 и поршень 5 начинает задвигаться в полость 4 под действием силы пружины 9, которая возвращает поршень 5 с режущим инструментом 6 в транспортное положение.
Применение изобретения позволяет:
1. Повысить эксплуатационную надежность прокалывающего перфоратора.
2. Увеличить производительность перфоратора.
3. Снизить аварийность за счет применения заглушек 11 с пружиной 9 и повысить надежность возврата режущего инструмента перфоратора в транспортное положение.
4. Обеспечить заданное расстояние между проколами одного участка обсадной трубы за счет определенного угла расположения полостей (в случае нескольких поршней с режущими инструментами), в отличие от прототипа, у которого полость одна и перемещение перфоратора от отверстия к отверстию производится произвольно бурильщиком, т.е. накладывается возможная ошибка субъективного фактора.
5. Повысить надежность возврата режущего инструмента перфоратора в транспортное положение.
6. Повысить качество перфорации скважины и обеспечить связь с пластом.