ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ПРОКАЛЫВАЮЩИЙ ПЕРФОРАТОР И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
HYDROMECHANICAL PIERCING PERFORATOR AND ITS OPERATING PRINCIPLE

Предлагаемая группа изобретений относится к области бурения и эксплуатации скважин, в частности к конструкции прокалывающих перфораторов для вскрытия продуктивных пластов, и может быть использована при строительстве и ремонте скважин различного назначения.
Известны устройства для перфорации скважин путем прокалывания, раскрытые в патентах RU 2129655 С1, МПК 6 Е21В 43/112, 27.04.1999; RU 2355877 C2, МПК Е21В 43/112, 20.05.2009, включающие корпус, инструментальные поршни с прокалывающими элементами - пробойниками с механизмом их выдвижения, в основе которого лежит принцип расширения жидкости при нагревании и создания ею высокого давления, подаваемого на инструментальные поршни, вследствие чего происходит радиальное перемещение инструментальных поршней и выдвижение пробойников. Существенными недостатками подобных устройств являются низкая производительность, небезопасность и сложность конструкции, включающей энергопривод с источником нагрева. Кроме того, такие конструкции перфораторов исключают возможность гидромониторной обработки призабойной зоны пласта (ПЗП) непосредственно после вскрытия колонны, что снижает эффективность вскрытия.
Известно большое количество прокалывающих перфорационных устройств, способ работы которых основан на выдвижении пробойников гидравлическим механизмом: RU 2373382 С1, МПК Е21В 43/112, 20.11.2009; RU 2172394 С1, МПК 7 Е21В 43/112, 20.08.2001; RU 2069741 С1, МПК 6 Е21В 43/112, 27.11.1996, RU 2069740 С1, МПК 6 Е21В 43/112, 27.11.1996, RU 2043486 С1, МПК 6 Е21В 43/114, 10.09.1995. Устройства включают корпус, в котором выполнена система камер, поршней и штоков, подводящих рабочую жидкость, поступающую в перфоратор по колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), к поршню пробойника. Подобные гидравлические механизмы часто обладают низкой пробивной способностью. С целью увеличения пробивной способности они могут включать мультипликаторы давления, что усложняет конструкцию устройств, увеличивает затраты на их изготовление, причем эффективность и производительность устройств при этом остаются недостаточно высокими. Кроме того, при работе таких перфораторов на высоких давлениях возникают проблемы герметичности всех узлов конструкций и ускоренного износа уплотнительных элементов поршней.
Известно устройство для создания перфорационных каналов в обсадной колонне скважины по патенту RU 2395671 С1, МПК Е21В 43/112, 27.07.2010. Устройство включает трубчатый и опорный корпуса, соединенный с опорным корпусом цилиндр, в котором размещен рабочий поршень с возвратной пружиной и клиновым толкателем, оснащенным рабочими резцами, которые выполнены с возможностью продольного перемещения относительно клинового толкателя под действием опорного корпуса, золотниковый механизм с корпусом, установленный выше цилиндра, и дополнительная возвратная пружина, причем трубчатый корпус соединен с поршнем с возможностью ограниченного продольного перемещения, отличающееся тем, что цилиндр выше опорного корпуса снабжен внутри кольцевым упором, поршень - наружным кольцевым выступом, а возвратная пружина установлена между наружным выступом поршня и кольцевым упором цилиндра, причем трубчатый корпус оснащен выше кольцевого выступа поршня упором, а дополнительная возвратная пружина установлена между упором и поршнем внутри цилиндра, при этом корпус золотникового механизма жестко соединен с трубчатым корпусом и снабжен сверху седлом клапана, а снизу - негерметичным внутренним упором, причем клапан поджат к седлу корпуса золотникового механизма от внутреннего упора пружиной, рассчитанной на удержание столба жидкости, действующего на клапан в интервале перфорации.
Для удобства сборки и разборки соединение корпуса золотникового механизма и трубчатого корпуса может быть выполнено разъемным (например, на резьбах). Количество цилиндров и соответствующих им рабочих поршней подбирают из необходимого усилия для вскрытия обсадной колонны скважины: чем толще стенка обсадной колонны, тем большее количество цилиндров с рабочими поршнями необходимо использовать. Несанкционированные перетоки жидкости в устройстве исключаются уплотнениями,
Данное устройство не имеет недостатков, характерных для гидравлических прокалывающих перфораторов, оно обладает высокой пробивающей способностью, достаточной мощностью и эффективно вскрывает колонну, однако его конструкция не предусматривает возможность гидромониторной обработки ПЗП непосредственно после вскрытия колонны, что существенно снижает эффективность вскрытия.
Попытка предложить более эффективное устройство для вскрытия пластов предпринята в полезной модели по патенту RU 115407 U1, МПК Е21В 43/114, 27.04.2012. Данное устройство является ближайшим аналогом предлагаемого изобретения и принимается за прототип.
Устройство для создания перфорационных каналов в скважине включает корпус, клин с пазами, по меньшей мере, два размещенных друг за другом гидроцилиндра с соединенными шток-поршнями, один из которых подпружинен, и, по меньшей мере, два резца с гидромониторами и резцедержателями, размещенными в пазах опоры и клина с возможностью радиального возвратно-поступательного перемещения, корпус образован клином и стенками гидроцилиндров, шток-поршни которых выполнены с осевым каналом, сообщенным переточными каналами с их подпоршневыми полостями, а трубками - с гидромониторами резцов через каналы резцедержателей, опора которых соединена с шток-поршнем, подпружиненным вниз относительно гидроцилиндра.
Недостатком устройства по прототипу является ненадежность конструкции подачи рабочей жидкости в гидромониторные насадки. В рабочих условиях имеется большая вероятность разрыва или разгерметизации трубок, вследствие чего невозможно будет не только осуществить намыв каверн, но и вскрыть колонну, поскольку рабочая жидкость из гидроцилиндров при попытках создать рабочее давление начнет вытекать через трубки. Это может привести к аварийной ситуации в скважине.
Задачей предлагаемой группы изобретений является создание высокоэффективной и надежной конструкции гидромеханического прокалывающего перфоратора и способа работы перфоратора, обеспечивающих гарантированное вскрытие эксплуатационной колонны и возможность последующей гидромониторной обработки ПЗП в зоне вскрытия.
Предлагаемая группа изобретений обеспечивает достижение следующего технического результата:
1. Увеличение пробойной силы, повышение качества вскрытия эксплуатационной колонны, повышение производительности перфоратора.
2. Повышение эффективности перфорации и улучшение гидродинамической связи с пластом за счет гарантированной возможности гидромониторной обработки ПЗП непосредственно после вскрытия колонны.
3. Снижение аварийности, повышение надежности перфоратора.
Указанный технический результат достигается за счет применения в прокалывающем перфораторе комбинированного способа выталкивания пробойников, основанного на гидромеханическом принципе действия: на инструментальный поршень или плунжер пробойника воздействуют механической силой клинового толкателя, а также гидравлической силой давления жидкости, подаваемой в рабочую камеру инструментального поршня (плунжера).
Гидромеханический прокалывающий перфоратор содержит корпус, размещенные в корпусе по меньшей мере один рабочий гидроцилиндр, по меньшей мере один клиновой толкатель, по меньшей мере один рабочий инструмент, снабженный по меньшей мере одним сквозным гидроканалом и по меньшей мере одним гидромонитором, установленный с возможностью взаимодействия с клиновым толкателем и радиального перемещения.
Согласно изобретению, рабочий инструмент выполнен в виде поршня с пробойником (инструментального поршня), снабженного уплотнениями, установленного в камере, или плунжера с пробойником (инструментального плунжера), установленного в камере, снабженной уплотнениями, а камера выполнена с возможностью гидравлического сообщения с рабочим гидроцилиндром.
При этом сообщение рабочей камеры инструментального поршня (плунжера) с гидроцилиндром может конструктивно осуществляться различными способами.
Камера может сообщаться с рабочим гидроцилиндром посредством одного или нескольких каналов, выполненных в клиновом толкателе.
Камера может сообщаться с рабочим гидроцилиндром посредством площадок (лысок, фасок) или пазов выполненных на наружной поверхности клинового толкателя.
Камера может сообщаться с рабочим гидроцилиндром посредством проточек, выполненных на внутренней поверхности корпуса перфоратора или на поверхности клинового толкателя.
Камера может сообщаться с рабочим гидроцилиндром посредством одного или нескольких каналов, выполненных в корпусе перфоратора.
Клиновой толкатель перфоратора может быть снабжен уплотнениями, представляя собой поршень.
Полость движения клинового толкателя может быть снабжена уплотнениями, а клиновой толкатель при этом может представлять собой плунжер.
Способ работы гидромеханического прокалывающего перфоратора включает подачу в перфоратор рабочей жидкости по колонне насосно-компрессорных труб, создание рабочего давления для приведения в действие механизма выдвижения рабочего инструмента, выдвижение рабочего инструмента и осуществление перфорации. Согласно способу по изобретению, выдвижение рабочего инструмента производят воздействием давления рабочей жидкости через систему поршень-шток на клиновой толкатель, а клиновым толкателем на инструментальный поршень (плунжер) с пробойником, а также воздействием на инструментальный поршень (плунжер) рабочей жидкости, подаваемой под давлением через гидроцилиндр перфоратора в рабочую камеру инструментального поршня (плунжера).
За счет выполнения в устройстве рабочего инструмента в виде поршня с пробойником или плунжера с пробойником (инструментального поршня/плунжера) становится возможной подача на рабочий инструмент давления рабочей жидкости и создания тем самым дополнительного усилия, направленного на выдвижение рабочего инструмента. За счет выполнения камеры инструментального поршня/плунжера с возможностью гидравлического сообщения с рабочим гидроцилиндром обеспечивается подача в камеру из гидроцилидра рабочей жидкости для воздействия на инструментальный поршень/плунжер. Таким образом, предложенная конструкция и способ работы перфоратора обеспечивают подачу на пробойник увеличенного, двойного усилия, которое является комбинированным, сочетая в себе механическое усилие клина-толкателя и гидравлическое усилие рабочей жидкости на инструментальный поршень/плунжер. Тем самым увеличивается пробивная способность пробойника, улучшается качество вскрытия эксплуатационной колонны.
Кроме того, за счет выполнения камеры инструментального поршня/плунжера с возможностью гидравлического сообщения с рабочим гидроцилиндром обеспечивается подача рабочей жидкости к гидроканалу гидромониторной насадки, благодаря чему непосредственно после вскрытия колонны может быть проведена гидромониторная обработка ПЗП, что значительно увеличивает эффективность вскрытия.
Если клиновой толкатель перфоратора выполнен в виде поршня или плунжера, то он способен выполнять функцию дополнительного гидроцилиндра, увеличивая тем самым рабочее усилие, подаваемое на инструментальный поршень/плунжер.
Предложенные конструкция и способ работы устройства отличаются простотой и надежностью, что позволяет обеспечить безаварийность работы перфоратора.
Заявляемое устройство в некоторых возможных вариантах его исполнения представлено на фигурах 1-8:
фиг.1 - устройство в продольном разрезе в транспортном положении;
фиг.2 - устройство в продольном разрезе в рабочем положении;
фиг.3а, б - вариант исполнения устройства с каналами, выполненными в клиновом толкателе;
фиг.4а, б - вариант исполнения устройства с площадками (лысками), выполненными на наружной поверхности клинового толкателя;
фиг.5а, б - вариант исполнения устройства с площадками (фасками), выполненными на наружной поверхности клинового толкателя;
фиг.6а, б - вариант исполнения устройства с пазами, выполненными на наружной поверхности клинового толкателя;
фиг.7а, б - вариант исполнения устройства с проточками, выполненными на внутренней поверхности корпуса перфоратора и на поверхности клинового толкателя;
фиг.8а, б - вариант исполнения устройства с каналами, выполненными в корпусе перфоратора.
Устройство по изобретению содержит корпус 1, размещенные в корпусе 1 по меньшей мере один рабочий гидроцилиндр 2, по меньшей мере один клиновой толкатель 3, по меньшей мере один рабочий инструмент 4, снабженный по меньшей мере одним сквозным гидроканалом 5 и по меньшей мере одним гидромонитором 6. Рабочий инструмент 4 установлен с возможностью взаимодействия с клиновым толкателем 3 и радиального перемещения. Рабочий инструмент 4 выполнен в виде плунжера 7 с пробойником 8 (инструментального плунжера 7), установленного в камере 9, камера 9 выполнена с возможностью гидравлического сообщения с рабочим гидроцилиндром 2.
Сообщение рабочей камеры 9 инструментального плунжера 7 с гидроцилиндром 2 может осуществляться посредством каналов 10, выполненных в клиновом толкателе 3, посредством площадок (лысок 11, фасок 12) или пазов 13, выполненных на наружной поверхности 14 клинового толкателя 3, посредством проточек 15, выполненных на внутренней поверхности 16 корпуса 1 перфоратора или на поверхности 14 клинового толкателя 3, либо, например, посредством одного или нескольких каналов 10, выполненных в корпусе 1 перфоратора.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Перфоратор на колонне насосно-компрессорных труб спускают в скважину, подают в перфоратор рабочую жидкость, создают рабочее давление для приведения в действие механизма выдвижения рабочего инструмента 4. Выдвижение рабочего инструмента 4 производят воздействием давления рабочей жидкости через систему поршень-шток, включающую один или несколько гидроцилиндров 2, на клиновой толкатель 3, а клиновым толкателем 3 на инструментальный поршень/плунжер 7 с пробойником 8, а также воздействием на инструментальный поршень/плунжер 7 рабочей жидкости, подаваемой под давлением через гидроцилиндр 2 перфоратора в рабочую камеру 9 инструментального поршня/плунжера 7. В результате подачи на инструментальный поршень/плунжер 7 комбинированного гидромеханического усилия он радиально перемещается, выдвигая пробойник 8, и производится вскрытие колонны. После этого через гидромониторные насадки 6 осуществляют при необходимости обработку ПЗП.
По окончании работы устройство приводят в транспортное положение известным способом, например следующим: давление рабочей жидкости сбрасывают, под действием одной или нескольких пружин 18 рабочий гидроцилиндр 2 и клиновой толкатель 3 перемещаются в крайнее верхнее положение, с помощью Т-образного соединения 17 или соединения «ласточкин хвост» клиновой толкатель 3, двигаясь вверх, втягивает рабочий инструмент 4 внутрь корпуса, устанавливая его тем самым в транспортное положение.
Перфоратор поднимают на поверхность либо перемещают на следующий интервал перфорации.