Устройство для перфорации и обработки скважины
DEVICE FOR PERFORATION AND WELL TREATMENT

Изобретение  относится к относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам для перфорации и обработки скважины.
Известно устройство для перфорации скважины и обработки призабойной зоны пласта RU 151444.
Известно устройство для перфорации и обработки продуктивного пласта,  в котором  используется  составная часть для вывода в рабочее положение ножей – клин, RU 2186950.
Известен ряд технических решений, проанализированных заявителем, касающихся устройств  для создания перфорационных каналов в скважине в которых используется клин для активации  режущих органов, например: RU 2506414, RU 2633596, RU 2546695, RU 2631446, RU 2188307, RU 42050, RU 142416,  RU  124921, RU 2521472, RU 120702, RU 15412, RU 2633596, RU 2612392, RU 187183, RU 2312977.
В результате патентных исследований также выявлено  следующее техническое  решение   в этой области техники, которое было учтено заявителем: US 20090211745.
В качестве аналога выбрано устройство для создания перфорационных каналов в скважине, включающее 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, отличающееся тем, что 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 (патент на изобретение RU № 2487990, 2013).
Наиболее близким техническим решением, выбранным заявителем в качестве прототипа, является устройство для создания перфорационных каналов в скважине, включающее корпус, образованный стенками гидроцилиндров, которые размещены друг за другом и соединены шток-поршнями с осевым каналом, последний сообщается переточными каналами с подпоршневыми полостями, возвратную пружину, опору и клин с пазами, по меньшей мере, два резца с гидромониторными каналами и резцедержателями, размещенными в пазах опоры, при этом корпус образован заодно целое с клином и гидроцилиндрами и выполнен с возможностью жесткого соединения с колонной насосно-компрессорных труб, а гидромониторные каналы резца выполнены под углом к его боковым поверхностям и направлены в разные стороны (патент на полезную модель RU № 120702, 2012г.)
Недостатком данного устройства является сложность конструкции. В описании вышеописанного технического решения не было указано, что оно не может использоваться для других технологических операций в скважине. Однако, анализ заявителем данного технического решения показал, что компоновка устройства не позволяет проводить технологические операции с пропантом и цементным раствором, т.е. имеет ограниченные функциональные возможности.
Дополнительно следует отметить, что  известные  классические способы проведения гидроразрыва пласта (ГРП), например через перо, а также способы проведения ГРП после гидропескоструйной, либо прокалывающей перфорации, имеют недостатки,  а именно проппант закачивается изнутри обсадной или эксплуатационной колонны, поэтому на колонну приходится большая нагрузка. При такой нагрузке эксплуатационная  колонна повреждается, также происходит размыв арматуры ГРП, пакера, что приводит к преждевременному выходу из строя оборудования.
Технической задачей заявляемого изобретения является упрощение конструкции устройства при одновременном обеспечении широких функциональных возможностей.
Техническим результатом является упрощение устройства при одновременном обеспечении возможности осуществления нескольких технологических операций по обработке скважины за одну спускоподъемную операцию, сокращение времени на обработку скважины.
Техническая задача достигается тем, что устройство для перфорации и обработки скважины включает корпус, включающее корпус, образованный стенкой  гидроцилиндра c отверстиями для выхода резцов, клин, в котором выполнены пазы с установленными в них ползунами с резцедержателями, которые имеют возможность перемещения в пазах, резцедержатели оснащены резцами с гидромониторами, каналы для подачи рабочей жидкости в гидромониторы,  поршень и опору ползунов,  причем гидромониторы  резцов  выполнены под углом к их боковым поверхностям и направлены в разные стороны,  отличающееся тем, что клин имеет возможность осевого перемещения в корпусе и выполнен в виде поршня - толкателя, клин имеет полость,  которая объединяет  каналы для подачи рабочей  жидкости,  в полости клина по его оси смонтирован  дополнительный  поршень-клапан, который зафиксирован в клине при помощи штифта,  в корпусе с одной стороны  установлена муфта для присоединения корпуса к насосно-компрессорной трубе (НКТ), а с другой стороны корпуса установлена опора ползунов, выполненная в виде кольцевого  упора и установленная  за отверстиями для выхода резцов.
Отверстия для резцов размещены в корпусе под углом 120° друг к другу в одной плоскости.
Ползуны с резцедержателями выполнены с возможностью перемещения по опоре ползунов.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно отличается следующими признаками:
- клин выполнен в виде поршня – толкателя и снабжена полостью;
- поршень-толкатель имеет возможность перемещения в корпусе;
- по оси клина  с одной стороны  смонтирован  дополнительный  поршень-клапан;
- поршень-клапан и зафиксирован в клине при помощи штифта;
- поршень -  клапан расположен в полости  клина;
- полость клина объединяет  каналы для подачи рабочей  жидкости;
-   в корпусе, с одной стороны  установлена муфта для присоединения корпуса к НКТ;
- ползуны с резцедержателями имеют возможность взаимодействия с опорой ползунов, выполненной в виде кольцевого  упора;
-кольцевой упор установлен на корпусе за отверстиями для выхода резцов.
Поэтому можно сделать вывод, что оно соответствует  критерию «новизна».
Техническое решение может быть реализовано с использованием известных технологических процессов, поэтому можно сделать вывод, что оно соответствует критерию «промышленная применимость».
В заявляемом техническом решении значительно  упрощена конструкция устройства для перфорации и обработки скважины.
В основу конструкции положена известная схема выведения ножей с использованием клина. Однако следует отметить, что заявитель применил новую компоновку  устройства, при которой значительно сокращено расстояние от зоны высокого давления в устройстве до заколонного пространства за счет полости,  образованной  в клине, которая объединяет каналы для подачи жидкости в гидромониторы, что значительно снижает сопротивление прохождения рабочей жидкости и обеспечивает возможность работы с пропантом  или цементным раствором при оптимальных диаметрах гидромониторов.
Основным техническим результатом является упрощение конструкции при одновременном расширении функциональных возможностей. Устройство обеспечивает эффективную работу при закачке реагента непосредственно за обсадную колонну. При этом также достигается дополнительный технический результат, связанный с использованием в качестве реагента проппанта или кислоты через резцы. При использовании указанных реагентов воздействие на обсадную колонну минимизируется, т.к. износ берет на себя заявляемое устройство.
Заявляемое устройство обеспечивает возможность проведения перфорации, ГРП (гидроразрыв пласта), РИР (ремонтно - изоляционные работы) за одну спускоподъемную операцию с закачкой реагента за колонну с сохранением её целостности.
При проведении патентных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, а достигаемый технический результат не является очевидным. Поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».
2
2
На фиг.1 показано заявляемое  устройство в транспортном положении, на фиг.2  показано заявляемое  устройство  в конце прокола, при давлении до 236 кг/см, на фиг.3 показано заявляемое  устройство  в процессе нагнетания при давлении свыше 236 кг/см, на фиг.4 показано сечение обсадной колонны  с остатками ножей.
Заявляемое устройство состоит из муфты 1, установленной  с одной стороны на   корпус 2, образованный  стенкой  гидроцилиндра, в котором с возможностью перемещения установлен  клин  в виде поршня - толкателя 4.  Поршень-толкатель  4 имеет продольные пазы,  в которые  установлены  ползуны 5  с резцедержателями  12, резцами 13  с гидромониторами 14 резцов,  которые выполнены под углом к  их боковым поверхностям и направлены в разные стороны. Позициями 8, 9 и 10 обозначены уплотнительные кольца. В поршне-толкателе 4 выполнена полость 15, в которой установлен поршень-клапан 3, предназначенный  для отсечки давления прокола от давления нагнетания,  и зафиксированный в поршне-толкателе 4  при помощи штифта 11.  Полость 15 объединяет каналы 17 для подачи рабочей жидкости в гидромониторы 14. К полости 15 примыкает  компенсатор 16 с каналами  для стравливания воздуха. В полости 15 установлен поршень-клапан 3, который  служит для отсечки давления прокола от давления нагнетания и зафиксирован в поршне-толкателе 4 штифтом 11. На корпусе 2 за отверстиями 18 для выхода резцов 13 установлена опора ползунов, которая представляет собой  кольцевой упор 6, зафиксированный  винтом 7, и имеет возможность взаимодействия с ползунами 5 с резцедержателями 12, обеспечивая возможность их перемещения. Отверстия 18 для резцов 13 размещены в корпусе под углом 120° друг к другу в одной плоскости.
Резцы 13 с ползунами 5  с резцедержателями  12 фиксируются в пазах поршня-толкателя 4 мягким силиконовым компаундом. Муфта 1 служит для закрепления устройства на НКТ. Поршень-клапан 3 служит для отсечки давления прокола от давления нагнетания.  В таком состоянии  устройство  транспортируется к месту использования и погружается в скважину с обсадной колонной, например,  диаметром 114,3х9,65 (толщина стенки не более 9,65мм),  НКТ 60.
2
На заданной глубине погружения в скважину осуществляется подача рабочей жидкости с давлением не более 236кг/см (расчетное давление), при котором поршень-толкатель 4, перемещаясь в осевом направлении до  кольцевого упора 6, и  выдвигает в радиальном направлении  ползунами 5  с резцедержателями 12 и резцами 13, осуществляя проколы стенки обсадной колонны под углом 120° друг к другу в одной плоскости.
2
Дальнейшее увеличение давления рабочей жидкости до 300 кг/см приводит к срезанию штифта 11 по двум поверхностям среза и поршень-клапан 3, перемещаясь в нижнее положение,  открывает три  канала 17,  по которым рабочая жидкость (нагнетаемая среда) направляется в гидромониторы 14,  где в каждом гидромониторе 14 разделяется на два  потока и попадает в затрубное пространство.
Испытания показали, что оптимальный диаметр гидромониторов составляет 8 мм, диаметр полости поршня-толкателя – 35 мм, диаметр каналов в поршне-толкателе – 12 мм, цилиндр корпуса – 70 мм.
2
Следующим этапом предполагается нагнетание реагента (пропанта) расчетным давлением 800 кг/см. При этом частицы пропанта, проникая в затрубное пространство обсадной колонны, производят проникновение в образующиеся трещины пласты породы и, расширяя их, углубляются в пласт.
Также заявляемым устройством  можно проводить ремонтно-изоляционные работы (РИР), т.е. использовать для заделывания цементным раствором отверстий в трубе обсадной колонны, образованные предыдущими перфорационными работами, а также для качественного восстановления цементного кольца в затрубном пространстве обсадной колонны по разным причинам разрушенным и не обеспечивающим должную герметизацию пластовых слоев недр.
После выполнения необходимых технологических манипуляций по ГРП или РИР движением НКТ60 силой порядка 2.162 кг происходит срез заклепок резцов от ползунов и перфоратор  освобождается от резцов, вошедших в обсадную колонну, для подъема.
Испытания данной конструкции показали, что данные технологические операции можно проводить за одну спускоподъемную операцию, при этом обсадная  колонна остается в рабочем состоянии, т.к. не испытывает излишних нагрузок.