ПРИВОД ПЕРФОРАЦИОННОГО УСТРОЙСТВА, ПРЕДНАЗНАЧЕННОГО ДЛЯ ПЕРФОРАЦИИ СКВАЖИН

Полезная модель относится к оборудованию, предназначенному для вскрытия пластов путем создания перфорационных каналов в стенке скважины, в частности, к силовому приводу такого оборудования, и может быть использовано в горной и нефтедобывающей промышленности.
Привод предназначен для передачи вращения и осевых нагрузок от двигателя к режущему инструменту при перфорации обсадных колонн и пород продуктивных пластов нефтяных и газовых скважин с получением перфорационных каналов длинной 2 м и более под углом 80÷90° к оси скважины.
Также возможно применение данного привода в других механизмов, когда необходимо передать вращающий момент и осевую нагрузку режущему инструменту при больших углах перекоса (до 90°) между осями двигателя и режущего инструмента.
Известен привод устройства для вскрытия пласта [1], состоящий из общего для всех узлов корпуса; из узла вращения в виде гидравлического забойного двигателя; из узла передачи вращения в виде шарнирной передачи, передающий крутящий момент с вала двигателя через шлицевое соединение на режущий стержень; из закрепленного на радиальных подшипниках в шаровом шарнире механизма осевого перемещения режущего стержня, состоящего из подпружиненной управляющей втулки, находящейся в шлицевом зацеплении с корпусом и имеющей продольные вырезы для выхода режущего стержня.
Недостатком данного привода является то, что усилие прижатия режущего инструмента и частота вращения зависят от расхода
промывочной жидкости и перепада давления на сужаемом элементе, которые невозможно проконтролировать на поверхности.
При увеличении крутящего момента на режущем инструменте происходит торможение вращения вала гидравлического забойного двигателя и значит - к уменьшению расхода жидкости, что ведет к уменьшению перепада давления и, следовательно, к снижению усилия подачи. Таким образом, происходит переменный режим резания, а следовательно, и эффективность перфорации.
Известен привод устройства для гибкой перфорации обсаженной скважины, включающий узел вращения в виде корпуса, в котором размещен гидроцилиндр двухстороннего действия с поршнем со штоком; узел передачи вращения в виде муфты, соединенной со штоком узла вращения посредством шлицевого соединения для передачи крутящего момента; установленный с возможностью вращения механизм подачи штанги гибкого вала с режущим инструментом, выполненный в виде двух гидроцилиндров, расположенных соосно друг за другом, в двухштоковых поршнях которых размещены радиальные гидроцилиндры двухстороннего действия, имеющие силовые поршни, на штоках которых закреплены опорные башмаки [2].
Однако указанный известный привод характеризуется сложной конструкцией, что не гарантирует надежность работы. Кроме того, при использовании его в перфорационном устройстве не исключается аварийная ситуация, заключающаяся в изломе гибкого вала. Это объясняется тем, что осевая подача режущего инструмента и скорость его вращения имеют жесткую связь. Например, для сверления обсадной колонны подача режущего инструмента на один оборот вращения находится в пределах 0,01÷0,004 мм/об, а для горных пород 0,01÷0,6 мм/об, а в данном известном устройстве невозможно получить такую разницу в подаче.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению по назначению и сущности является привод перфоратора, предназначенный для использования в способе глубокой перфорации обсаженных скважин [3].
Указанный известный привод состоит из последовательно установленных узла вращения в виде гидравлического двигателя, узла передачи вращения в виде вала двигателя и механизма осевого перемещения гибкого вала с режущим инструментом на его конце.
Недостатком указанного известного привода является то, что он не обеспечивает исключение излома гибкого вала при нестабильных параметрах нагрузки. Это объясняется тем, что осевая подача гибкого вала и режущей головки в известном приводе осуществляется с поверхности посредством каротажного кабеля, а усилие подачи зависит от перепада давления на гидравлическом двигателе. При увеличении перепада давления на двигателе увеличивается осевая нагрузка на каротажный кабель, и он вытягивается, что может привести к критическим нагрузкам на гибкий вал и режущую головку.
Кроме того, использование известного привода в перфораторе приводит в возникновению дополнительного нерегулируемого гидравлического сопротивления в канале гибкого вала, а высокие давления (более 30-40 атм.) на выходе рабочей жидкости из гидравлического двигателя приводят к снижению мощности двигателя и его КПД, и к снижению скорости вращения вала. В результате снижается эффективность работы всего устройства.
Технический результат, обеспечиваемый предлагаемой полезной моделью, заключается в снижении вероятности излома гибкого вала, как при перфорации обсадной трубы, так и породы пласта, за счет обеспечения стабильной, в пределах заданной, нагрузки на гибкий вал и режущий инструмент в процессе всего периода перфорации.
Указанный технический результат достигается предложенным приводом перфорационного устройства, предназначенного для перфорации скважин, включающим последовательно установленные узел вращения в виде гидравлического двигателя, узел передачи вращения в виде вала двигателя и механизм осевого перемещения гибкого вала с режущим инструментом на его конце, при этом новым является то, что узел передачи вращения дополнительно содержит муфту, механически соединенную с валом двигателя, регулирующую передаваемый крутящий момент от двигателя к гибкому валу и режущему инструменту, а привод дополнительно снабжен управляемым гидравлическим дифференциальным клапаном для регулирования давления и расхода рабочей жидкости, установленным между муфтой и механизмом осевого перемещения, при этом муфта состоит из верхнего корпуса, жестко связанного с валом двигателя, и находящейся в зацеплении с этим корпусом в виде храпового механизма подвижной в осевом направлении втулки, которая выполнена подпружиненной, дифференциальный клапан содержит корпус со сквозными радиальными каналами для протока рабочей жидкости, внутри которого, соосно установлена регулировочная втулка, подпружиненный поршень, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом и указанной втулкой и установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения и с возможностью открытия или перекрытия при этом одного из указанных радиальных каналов, при этом механизм осевого перемещения выполнен в виде размещенных в его корпусе с возможностью осевого перемещения поршня со штоком и демпферной пружины, закрепленной на штоке, причем нижний конец штока установлен с возможностью воздействия на гибкий вал режущего инструмента, при этом муфта, дифференциальный клапан и механизм осевого перемещения гидравлически сообщены друг с другом посредством сквозных каналов.
Приведенный технический результат обеспечивается за счет следующего.
Благодаря дополнительному введению в конструкцию узла передачи вращения муфты, состоящего из верхнего корпуса, жестко связанного с валом двигателя, и находящейся в зацеплении с этим корпусом в виде храпового механизма подвижной в осевом направлении втулки, которая выполнена подпружиненной, обеспечивается:
- во-первых, передача крутящего момента от двигателя к гибкому валу и режущему инструменту только в одном направлении, что исключает передачу вращающего момента сверх допустимого на гибкий вал, что в свою очередь предотвращает его поломку;
- во-вторых, при превышении усилия вращения, передаваемого на муфту, сверх заданного (установленного), подвижная втулка за счет поджатия пружиной отжимается вниз зубьями верхнего корпуса, и выходит из шлицов нижнего корпуса и при этом происходит проворачивание верхней части корпуса относительно нижней. После устранения причин, создавших высокий крутящий момент (снижение нагрузки на режущий инструмент, снижение оборотов двигателя и т.п.), подвижная втулка снова входит в зацепление с верхним неподвижным корпусом и процесс передачи вращения на гибкий вал и режущий инструмент продолжается. Указанный процесс позволяет избежать перегрузок на гибкий вал и режущий инструмент, а значит исключить их поломку.
Размещение дифференциального клапана между муфтой и механизмом осевого перемещения позволяет регулировать осевое усиление, передаваемое на гибкий вал. При длине промывочного канала в гибком валу 2,5 м при движении рабочей жидкости возникает давление порядка 30 атм, а осевое усиление примерно 250 кГ, что значительно превышает технологически необходимое усилие для разрушения обсадной трубы (120÷140 кГ) и усиление для разрушения породы (50÷60 кГ).
Благодаря предложенному конструктивному выполнению дифференциального клапана обеспечивается снижение высокого осевого усилия до приемлемых величин, т.к при превышении давления внутри клапана сверх необходимого, например, 10 атм, поршень клапана перемещается вверх и открывает нижнее перепускное радиальное отверстие (канал) в корпусе клапана, излишки рабочей жидкости сбрасываются через это отверстие, в результате чего давление внутри клапана падает и пружина возвращает поршень обратно.
Благодаря предложенному конструктивному выполнению механизма осевого перемещения гибкого вала, в совокупности с другими узлами привода, также обеспечивается передача на гибкий вал только требуемого (запланированного) осевого усилия, что исключает излом гибкого вала. Введение в конструкцию указанного механизма демпферной пружины позволяет за счет ее сжатия регулировать величину осевого усилия в зависимости от вида материала, на который воздействует режущий инструмент: металл обсадной трубы или порода пласта.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что все указанные отличительные признаки полезной модели работают на достижение поставленного технического результата.
Предложенная полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлена общая компоновка заявляемого привода; на фиг.2 - конструкция муфты узла передачи вращения; на фиг.3 - конструкция дифференциального клапана; на фиг.4 - конструкция механизма осевого перемещения.
Предлагаемый привод перфоратора состоит, из последовательно размещенных, узла вращения - гидравлического двигателя 1, узла передачи вращения 2, дифференциального клапана 3 и механизма 4 осевого перемещения гибкого вала 5 с режущим инструментом 6 на его конце.
Узел передачи вращения 2 включает в себя соединенную с двигателем 1 посредством вала 7 муфту 8, состоящую из верхнего корпуса 9, жестко связанного с валом 7 двигателя 1, находящейся в зацеплении с корпусом 9 в виде храпового механизма, подвижной в осевом направлении втулки 10, которая выполнена подпружиненной с помощью пружины 11 и нижнего корпуса 12. Усилие сжатия пружины 11 регулируется гайкой 13. Дифференциальный гидравлический клапан 3 используется для регулирования давления и расхода рабочей жидкости и содержит корпус 14 со сквозными радиальными каналами 15 и 16 для протока рабочей жидкости: перепускной канал 15 надпоршневой зоны, перепускной канал 16 из клапана. Внутри корпуса 14 соосно установлена регулировочная втулка 17, а также - подпружиненный пружиной 18 поршень 19, размещенный в кольцевом пространстве между корпусом 14 и указанной втулкой 17 и установленный с возможностью ограниченного осевого перемещения и с возможностью открытия или перекрытия при этом одного из указанных каналов 15 и 16.
Механизм 4 осевого перемещения выполнен в виде размещенных в его корпусе 20 (корпус 20 может состоять из 3-х частей) с возможностью осевого перемещения поршня 21 со штоком 22 и демпферной пружины 23, закрепленной на штоке 22. Причем нижний конец 24 штока 22 установлен с возможностью воздействия на гибкий вал 5 режущего инструмента 6. При этом муфта 8, дифференциальный клапан 3 и механизм 4 осевого перемещения гидравлически сообщены друг с другом посредством сквозных каналов 25, 26, 27 соответственно.
Перфорационное устройство, оборудованное предлагаемым приводом, работает следующим образом.
Устройство спускается в скважину с установкой режущего инструмента 6 в интервале перфорации, положение всего устройства в обсадной колонне фиксируется, например, якорем. Далее запускается двигатель 1 привода устройства, с узла подачи 28 в него подается рабочая
жидкость (промывочная, смазывающе-охлаждающая) с определенным расходом. При этом обеспечивается вращение вала 7 и муфты 8, далее крутящий момент передается через клапан 3 и механизм 4 осевого перемещения на штангу 29, гибкий вал 5 и режущий инструмент 6. При этом, проходя через каналы 25, 26 и 27, рабочая жидкость попадает в надпоршневую камеру механизма 4 осевого перемещения и воздействует на поршень 21, который своим штоком 22 создает необходимую осевую нагрузку на режущий инструмент 6. По мере разрушения обсадной колонны и породы шток 22 перемещается вниз на необходимую длину, сообщая осевое перемещение режущему инструменту 6. Для исключения резких изменений осевой нагрузки на режущий инструмент 6 в механизме 4 осевой нагрузки имеется демпферная пружина 23, которая принимает на себя и стабилизирует перепады осевых нагрузок. Кроме этого она используется для создания дополнительной осевой нагрузки на режущий инструмент 6, т.к. при сверлении обсадных труб нагрузка на режущий инструмент 6 в два раза больше, чем при сверлении в породах.
При стабильном и заданном крутящем моменте муфта 8 передает этот момент далее, но при увеличении крутящего момента сверх установленного за счет поджатия подвижной втулки 10 пружиной 11, втулка 10 храпового механизма отжимается вниз зубьями зацепления 30 и выходит из шлицов (на чертеже не показаны) нижнего корпуса 12 и при этом происходит проворачивание верхнего корпуса 9 относительно ниже расположенных конструктивных узлов.
После устранения причин, создавших высокий крутящий момент подвижная втулка 10 снова входит в зацепление с верхним корпусом 9 и вращение передается на режущий инструмент 6.
Учитывая, что дифференциальный клапан 3 предназначен для регулирования давления и расхода жидкости, то при повышении давления внутри него сверх установленного, поршень 19 клапана 3 перемещается вверх и открывает перепускной канал 16, через который излишки рабочей
жидкости сбрасываются из внутренней полости демпфера наружу, за счет чего давление внутри клапана 3 падает, и благодаря пружине 18 поршень 19 возвращается в прежнее положение и работа по перфорации продолжается.
Когда длина хода штока 22 механизма 4 осевого перемещения будет выбрана (т.е. сверление осуществлено на необходимую глубину), осуществляется перезарядка всего перфорационного устройства опусканием корпуса 20 вниз с учетом нового интервала перфорации.
В результате того, что все узлы и механизмы заявляемого привода работают на обеспечение стабильных параметров вращения и осевого перемещения гибкого вала 5 с режущим инструментом 6, практически исключается излом вала и заклинивание режущего инструмента.
Источник информации:
1. Патент РФ №2145663, кл. Е 21 В 43/11, от 1997 г.
2. Патент РФ №2109129, кл. Е 21 В 43/11, от 1996 г.
3. Патент РФ №2190089, кл. Е 21 В 43/112, от 2001 г.