ПЕРФОРАТОР ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЩЕЛЕВОЙ (ВАРИАНТЫ)
HYDROMECHANICAL SLOT PERFORATOR (VERSIONS)

Группа изобретений относятся к области бурения и эксплуатации нефтяных, газовых и нагнетательных скважин, а именно к устройству для создания одновременно двух и более продольных перфорационных щелей в обсадной (эксплуатационной) колонне, цементном камне и горной породе.
Известен перфоратор двухсторонний гидромеханический щелевой (патент РФ №2327859, кл. Е21В 43/112, от 2006 г.), содержащий корпус, в котором размещены поршень-толкатель и выдвижной режущий инструмент в виде верхнего и нижнего режущих дисков с возможностью выполнения двух диаметрально расположенных щелей в колонне, при этом каждый диск расположен на своей оси. Механизм их выдвижения выполнен в виде коромысла, смонтированного на центральной оси. Коромысло выполнено с возможностью поворота при перемещении поршня-толкателя. В плечах коромысла на разном расстоянии от центральной оси установлены оси режущего диска. Длина плеча коромысла до оси верхнего диска меньше, чем длина плеча коромысла до оси нижнего диска.
Недостатком указанного известного устройства является вероятность возникновения излома двух отклоняющих клиньев: верхнего и нижнего, в раскрытом состоянии при попадании стружки от разрезаемой трубы, что может привести к аварии на скважине, вследствие чего имеется вероятность ее ликвидации.
Кроме того, возможно перекашивание известного перфоратора в трубе из-за недостаточного выхода верхнего диска и, как следствие, происходит недостаточный прижим нижнего диска в результате отклонения нижней части перфоратора от стенки трубы, в результате чего возможна скачкообразная нестабильная работа оборудования.
Также при работе известного перфоратора происходит недостаточный поворот коромысла и недостаточный выход режущего диска за границы корпуса перфоратора из-за того, что отклоняющий верхний клин, с которым контактирует коромысло, конструктивно имеет небольшие размеры (т.к. выполнен подвижным) и поворот коромысла производится на ширину, равную его диаметру, который ограничен внутренним диаметром корпуса прибора. Ширина клина ограничена диаметром, что снижает его надежность ввиду уменьшения объема металла при больших нагрузках. Это снижает эффективность работы известного перфоратора и его технологичность.
Кроме того, самым слабым узлом известного устройства являются подвижные верхний и нижний отклоняющие клинья, при поломке которых устройство перестает работать. Указанные клинья могут ломаться из-за ударных нагрузок при продавливании колонны. Вышеуказанное делает известный перфоратор недостаточно надежным.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является гидромеханический щелевой перфоратор (патент РФ №2249678, кл. Е21В 43/112, от 2003 г.), состоящий из корпуса, размещенного в нем поршня-толкателя и двух режущих инструментов в виде установленных на оси режущих дисков с механизмом их выдвижения для выполнения двух диаметрально расположенных щелей в колонне. Механизм выдвижения дисков включает смонтированное на центральной оси коромысло, в плечах которого в отверстиях установлены оси режущих дисков. Коромысло выполнено с возможностью поворота при перемещении поршня-толкателя.
Для указанного известного перфоратора характерны те же недостатки, что и для аналога.
Единый технический результат, обеспечиваемый предлагаемыми вариантами изобретений, заключается в повышении надежности и технологичности работы перфоратора при эксплуатации за счет снижения количества конструктивно важных подвижных узлов и обеспечения равномерности диаметрального перфорационного воздействия на вскрываемые поверхности, в повышении производительности за счет возможности выполнения многощелевой перфорации, в том числе, одновременно в различных требуемых радиальных направлениях.
Дополнительным техническим результатом для второго варианта является повышение надежности и долговечности работы за счет снижения количества трущихся деталей, при одновременном обеспечении высокой ремонтопригодности.
Указанный технический результат достигается предлагаемыми вариантами перфоратора гидромеханического щелевого, включающего корпус, размещенный в нем поршень-толкатель, возвратную пружину, отклоняющий клин и смонтированный на оси выдвижной режущий инструмент, обеспечивающий возможность выполнения диаметрально расположенных щелей в колонне скважины, при этом согласно первому варианту в корпусе между поршнем-толкателем и возвратной пружиной дополнительно установлен с возможностью продольного перемещения модуль, выполненный из, по меньшей мере, одного рабочего узла в виде цилиндра, внутри которого установлен выдвижной режущий инструмент, выполненный с возможностью его выдвижения через два диаметральных сквозных продольных выреза, выполненных в стенке цилиндра, или через один сквозной продольный вырез в стенке цилиндра, охватывающий диаметральные направления выдвижения указанного инструмента, при этом выдвижной режущий инструмент выполнен в виде коромысла, которое установлено с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином и в плечах которого размещены на оси два диска, при этом ось коромысла жестко закреплена на внутренних стенках цилиндра с обеспечением ее продольного перемещения вместе с цилиндром и установлена с эксцентриситетом относительно центра тяжести коромысла с обеспечением длины плеча коромысла до оси верхнего диска больше, чем длина плеча коромысла до оси нижнего диска, причем отклоняющий клин, с которым взаимодействует коромысло, жестко закреплен в корпусе перфоратора, а количество отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе, соответствует количеству рабочих узлов в модуле; а согласно второму варианту в корпусе между поршнем-толкателем и возвратной пружиной дополнительно установлен с возможностью продольного перемещения модуль, выполненный из, по меньшей мере, одного рабочего узла в виде цилиндра, внутри которого установлен выдвижной режущий инструмент, выполненный с возможностью его выдвижения через два диаметральных сквозных продольных выреза, выполненных в стенке цилиндра, или через один сквозной продольный вырез в стенке цилиндра, охватывающий диаметральные направления выдвижения указанного инструмента, при этом выдвижной режущий инструмент выполнен в виде закрепленного на оси поворотного ножа, форма продольного сечения которого близка к S-образной, и состоящего из тела ножа, выполненного с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином, и из жестко соединенных с телом и размещенных по обе его стороны зубчатых режущих элементов, зубчатая режущая кромка которых выполнена в виде дугообразного выпуклого контура, при этом ось тела поворотного ножа жестко закреплена на внутренних стенках цилиндра с обеспечением ее продольного перемещения вместе с цилиндром и установлена с эксцентриситетом относительно центра тяжести поворотного ножа с обеспечением длины его плеча до верхнего зубчатого режущего элемента больше, чем длина его плеча до нижнего зубчатого режущего элемента, причем отклоняющий клин, с которым взаимодействует тело поворотного ножа, жестко закреплен в корпусе перфоратора, а количество отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе, соответствует количеству рабочих узлов в модуле.
В преимущественном выполнении по обоим вариантам:
- при наличии рабочих узлов в модуле более одного они продольно размещены в корпусе перфоратора друг за другом;
- при наличии рабочих узлов в модуле более одного ориентирование сквозных продольных вырезов или одного сквозного продольного выреза в стенке цилиндра, охватывающего диаметральные направления выдвижения режущего инструмента, по меньшей мере, у двух рабочих узлов в модуле выполнено с поперечным угловым смещением относительно друг друга.
В преимущественном выполнении по первому варианту режущие диски в выдвижном режущем инструменте выполнены в виде накатных дисков или в виде режущих фрез.
Вышеприведенный технический результат достигается за счет следующего.
Благодаря тому что в корпусе перфоратора под поршнем-толкателем дополнительно установлен подвижной в продольном направлении, по меньшей мере, один рабочий узел, выполненный в виде цилиндра (допускается устанавливать до 10 рабочих узлов в корпусе перфоратора друг за другом), с размещенными внутри режущими инструментами, выполняющими диаметрально расположенные щели в колонне, появляется возможность производить перфорацию одновременно нескольких щелей в обсадной (эксплуатационной) колонне в скважине, что повышает производительность работы.
Наличие в стенках цилиндров рабочих узлов сквозных продольных вырезов позволяет при установке цилиндра ориентировать эти вырезы в необходимых диаметральных направлениях, а при наличии в перфораторе нескольких (более одного) рабочих узлов размещать цилиндры с их поперечным угловым смещением (сдвигом) относительно друг друга, благодаря чему и обеспечивается возможность одновременно формировать перфорационные щели в различных диаметральных направлениях, т.е. в различной проекции и одновременно со сдвигом в продольном направлении, что также обеспечивает повышение производительности работы.
Благодаря выполнению в предлагаемом перфораторе выдвижного режущего инструмента в виде смонтированного на оси коромысла, в плечах которого установлены оси режущих дисков (в преимущественном варианте - накатные диски или режущие фрезы), или в виде поворотного ножа по второму варианту возможность реализации многощелевой перфорации увеличивается, что способствует повышению производительности работы перфоратора.
Благодаря тому что ось коромысла и ось поворотного ножа жестко закреплены на внутренних стенках цилиндра рабочего узла с обеспечением их продольного перемещения вместе с цилиндром, обеспечивается более мягкая работа перфоратора по выполнению диаметральных щелей по сравнению с прототипом (у него ось жестко закреплена на корпусе перфоратора). Это объясняется тем, что подача коромысла поворотного ножа вниз и начало его поворота в предлагаемом перфораторе практически разделена на две операции, тем самым подготовка к работе и сама работа по перфорации производятся в разное время, что исключает внештатные ситуации с поломкой и заклиниванием оборудования, так как само коромысло (поворотный нож) находится изначально внутри перфоратора.
Установление оси коромысла (оси поворотного ножа) с эксцентриситетом (смещением) относительно центра тяжести коромысла (поворотного ножа) с обеспечением длины плеча коромысла до оси верхнего диска больше, чем длина плеча коромысла до оси нижнего диска (то же касается и поворотного ножа по второму варианту), обеспечивает равномерность диаметрального перфорационного воздействия на вскрываемые поверхности. Причем следует указать, что эксцентриситет возможен как в продольном смещении оси по телу коромысла (поворотного ножа) от центра тяжести, так и в продольном смещении и одновременно в поперечном. Этот признак тесно связан с тем, что отклоняющий клин установлен в предлагаемом перфораторе жестко закрепленным на стенке корпуса перфоратора и имеет большую клиновидную отклоняющую поверхность, чем у прототипа (т.к. указанный клин установлен неподвижно и имеет опору на корпус перфоратора, то его диаметр равен диаметру корпуса перфоратора и его наклонная часть выходит до наружного диаметра перфоратора, в то время как у прототипа отклоняющая поверхность клина имеет ограничение по внутреннему диаметру перфоратора вследствие его подвижности внутри корпуса перфоратора. Тем самым в предлагаемом перфораторе имеется более продолжительный контакт (ход) края коромысла (поворотного ножа) по клиновой поверхности отклоняющего клина).
Увеличение верхнего плеча коромысла (поворотного ножа) дает преимущество в следующем. При движении цилиндра рабочего узла вниз коромысло также перемещается в сторону начала клиновой поверхности отклоняющего клина и своим нижним плечом создает рычаг. С помощью этого рычага (опираясь на неподвижный отклоняющий клин) при движении коромысла вниз через эксцентричную ось отталкивает перфоратор верхней частью коромысла к противоположной стенке трубы, в результате чего нижний диск начинает прорезать трубу раньше, чем верхний, и тем самым происходит более плавная работа перфоратора. Установка оси коромысла (поворотного ножа) с эксцентриситетом в поперечном направлении от центра тяжести коромысла (при этом верхнее плечо остается больше, чем нижнее), уменьшает усилие, прилагаемое для поворота коромысла за счет смещения центра нагрузки сил давления оси коромысла на клиновую поверхность отклоняющего клина. Также это будет целесообразно, например, при небольшом угле клиновидной поверхности отклоняющего клина.
Вместе с этим благодаря тому что ось коромысла (поворотного ножа) размещена с эксцентриситетом, также обеспечивается более плавное складывание перфоратора за счет большего верхнего плеча, край которого при складывании скользит по внутренней стенке перфоратора с меньшим усилием и через ось рычага передает увеличенную силу на нижнюю часть коромысла, при этом легче происходит складывание. Это дает преимущество в безопасности проведения работ, сбалансированности работы перфоратора, его надежности и улучшении качества прорезания щелей в трубе, а также обеспечивает увеличение выхода верхнего и нижнего дисков за пределы корпуса прибора (нижнего за счет увеличения клиновой поверхности отклоняющего клина, установленного в корпусе жестко, а верхнего - за счет увеличения длины верхнего плеча коромысла (поворотного ножа). Кроме того, это позволяет в предлагаемом перфораторе по первому варианту использовать одновременно на одном коромысле накатной ролик и режущую фрезу одновременно (например, в случае простирания пород в скважине различной твердости).
Так как отклоняющий клин установлен жестко на корпусе перфоратора и имеет большую отклоняющую поверхность, то он взаимодействует с большой частью коромысла (тела поворотного ножа). За счет этого происходит качественный накат щели, так как увеличенная часть коромысла при выходе за стенку корпуса прибора выбирает свободное пространство прорезаемой трубы и при этом одновременно с дополнительным усилием воздействует на нижнюю часть коромысла с режущим диском, обеспечивая качественное образование щели этим диском.
Наличие в предлагаемом перфораторе количества отклоняющих клиньев, жестко закрепленных на корпусе перфоратора, равным количеству рабочих узлов в модуле, обеспечивает работоспособность конструкции и возможность выхода режущего инструмента из каждого цилиндра (при наличии рабочих узлов более одного) через сквозной вырез к месту выполнения перфорационной щели. Благодаря этому достигается одновременное разрезание трубы в различных плоскостях (проекциях), легкость эксплуатации работы, минимальное трение перфоратора о стенку трубы, а также одновременное складывание режущих инструментов перфоратора.
Обеспечение технологичности заявляемого перфоратора при его ремонте достигается за счет простоты замены режущего узла по всей длине прибора, при этом операция производится одновременно.
Придание технологичности при центрировании предлагаемого перфоратора в обсадной трубе обеспечивается за счет наличия диаметральных режущих дисков и зон контакта с трубой и, как следствие, уменьшения силы трения о внутреннюю стенку трубы корпусом перфоратора и легкости перемещения его при разрезании трубы (контактирует со стенкой трубы только режущими дисками).
В предлагаемом перфораторе могут быть использованы режущие диски различной конструкции, например, с увеличенной твердостью, со специальным покрытием, с различным углом заточки и фрезерующими или сострагивающими насечками, также режущий инструмент может быть выполнен различной формы: круг, многоугольник и т.д., что делает его универсальным по этому показателю по отношению к известным перфораторам. Также можно использовать в качестве режущих дисков накатные диски.
Благодаря такому конструктивному выполнению перфоратора (по обоим вариантам) обеспечивается его надежность, технологичность и универсальность, обеспечивающая возможность производить перфорацию в различных типах труб с различной твердостью и различных размерах, экономичность проведения работ.
Заявляемый перфоратор иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображен общий вид перфоратора по первому варианту; на фиг.2 - по второму варианту; на фиг.3 и фиг.4 - перфоратор в разрезе с указанием эксцентриситета (смещения) осей.
Перфоратор содержит корпус 1, поршень-толкатель (не показан), отклоняющий клин 3, жестко закрепленный на внутренних стенках корпуса 1, и выдвижной режущий инструмент в виде установленных на концах коромысла 4 (первый вариант), выполненного с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3, на осях 5 и 6 режущих дисков 7 и 8 соответственно. По второму варианту (фиг.2) выдвижной режущий инструмент выполнен в виде поворотного ножа 9, форма продольного сечения которого близка к S-образной, и состоящего из тела ножа 10, выполненного с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3, и из жестко соединенных с телом и размещенных по обе его стороны зубчатых режущих элементов 11 и 12, зубчатая режущая кромка которых выполнена в виде дугообразного выпуклого контура.
В корпусе 1 перфоратора под поршнем-толкателем установлен модуль, выполненный из, по меньшей мере, одного рабочего узла в виде цилиндра 13. При наличии рабочих модулей числом более одного они размещены в корпусе перфоратора продольно друг за другом (фиг.2). В стенке каждого из цилиндров выполнены два диаметральных сквозных продольных выреза 14 или один сквозной продольный вырез в стенке цилиндра, охватывающий диаметральные направления выдвижения указанного инструмента.
Ниже указанного модуля в корпусе 1 установлен возвратный узел 15, выполненный в виде возвратной пружины. При наличии в предлагаемом перфораторе нескольких рабочих узлов (более одного) цилиндры 13 в модуле предпочтительно, в зависимости от требуемого направления перфорации, размещать таким образом, чтобы ориентирование двух диаметральных сквозных продольных вырезов 14, по меньшей мере, у двух цилиндров 13 в модуле было выполнено с поперечным угловым смещением относительно друг друга (фиг.2) (т.е. ориентировать эти вырезы в требуемых радиальных направлениях с их поперечным угловым смещением (сдвигом) относительно друг друга, например со смещением 10-360°). Но соседние цилиндры 13 в модуле могут быть установлены и без углового смещения вырезов 14 относительно друг друга. В этом случае перфорация производится путем выполнения двух длинных щелей в двух диаметральных направлениях четырьмя режущими дисками одновременно. Указанный модуль размещен в корпусе 1 с возможностью продольного перемещения в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратного узла 15. Внутри каждого из указанных цилиндров 13 (если имеется несколько рабочих узлов) установлен выдвижной режущий инструмент. При этом ось 16 коромысла 4 и ось 17 поворотного ножа 9 жестко закреплены на внутренних стенках цилиндра 13 с обеспечением их продольного перемещения вместе с цилиндром 13. При этом ось 16 и ось 17 установлены с эксцентриситетом относительно центра тяжести коромысла 4 и поворотного ножа 9 соответственно, с обеспечением при этом длины плеча коромысла до оси верхнего диска больше, чем длина плеча коромысла до оси нижнего диска или длины плеча поворотного ножа до верхнего зубчатого режущего элемента больше, чем длина его плеча до нижнего зубчатого режущего элемента (фиг.3). Причем указанная ось может быть смещена и одновременно в поперечном направлении (фиг.4).
Количество отклоняющих клиньев 3 соответствует количеству рабочих узлов в модуле с установкой по одному отклоняющему клину 3 в зоне взаимодействия с коромыслом 4 (телом 9) режущего инструмента из каждого цилиндра 13.
В поршне-толкателе выполнен, по меньшей мере, один гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой 18, причем количество гидромониторных насадок 18 в поршне-толкателе может быть равно количеству режущих инструментов перфоратора или может быть меньше, в зависимости от задач намыва каверны. Кроме того, в поршне-толкателе еще есть центральный канал, который перед работой перфоратора глушится шаром, и тогда нагнетается давление.
Предлагаемый перфоратор работает следующим образом.
На колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) (не показаны) перфоратор опускают в скважину к требуемому месту по длине ствола. Создают давление в гидроцилиндре (в конструкции предлагаемого перфоратора возможно установление последовательно двух гидроцилиндров в случае необходимости создания повышенного давления), под действием которого цилиндр 13 рабочего узла перемещается к месту разрезки, т.е. к своему рабочему состоянию. Установив перфоратор в скважине, проводят прямую промывку полости труб и полости перфорационного устройства от окалины и механических примесей, которые попадают в полость труб во время геофизических работ по привязке устройства к интервалу резки. Затем в полость труб опускают шарик диаметром 19 мм, который опускается в посадочное гнездо шток-фильтра, который установлен в поршне-толкателе (а можно и без шток-фильтра, но от этого будет небольшое изменение конструкции поршня-толкателя и дополнительного поршня), и перекрывает центральный канал поршня-толкателя, после чего в НКТ создается рабочее давление.
При этом цилиндр 13 будет перемещаться вниз (если в перфораторе будут размещены несколько рабочих узлов, то все их цилиндры будут опускаться вниз). При перемещении вниз нижний цилиндр 13 в модуле нижним краем сжимает пружину 15, передвигаясь поступательно вдоль продольной оси устройства. В цилиндре 13 на оси 14 установлено коромысло 4 (фиг.1 по первому варианту) с режущими дисками 7 и 8 в диаметральной направленности или установлен поворотный нож 9 (фиг.2 по второму варианту). При наличии в модуле нескольких рабочих узлов указанные коромысла или поворотные ножи могут быть установлены со смещением в разных цилиндрах 13 для выполнения диаметральных щелей в разной направленности. При перемещении цилиндров 13 вниз коромысла 4 (тело поворотного ножа 9) начинают тоже продольное перемещение, т.к. их оси жестко закреплены на внутренней стенке цилиндра 13, скользят по клиновидной поверхности отклоняющего клина 3, режущие диски 7 и 8 (а по второму варианту режущие элементы 11 и 12 поворотного ножа 9) начинают выдвигаться через сквозные продольные вырезы 14 из цилиндра 13 до упора с обсадной (эксплуатационной) колонной. Прорезание щелей в колонне производится попеременным перемещением перфорационного устройства, находящегося под давлением (например, от 20 до 150 атм и при ступенчатом повышении его), вверх и вниз на длину щели. После образования щелей в колонне (их количество и радиальная направленность будут зависеть от количества цилиндров 13 и от пространственной направленности вырезов 14) давление в полости труб поднимают и реализуется гидромониторный эффект струи. При этом струи жидкости, выходящие через гидромониторные насадки 18, с большой скоростью разрушают своим напором цементный камень и породу за колонной, намывают каверну по всей длине щелей. После намыва каверны давление в трубах сбрасывается до атмосферного. Под действием возвратного узла 15 модуль, а значит, цилиндры 13 перемещаются вверх. При этом режущие диски 7 и 8 с коромыслом 4 (или режущие элементы 11 и 12 поворотного ножа 9) через вырезы 14 втягиваются в цилиндры 13 и режущий инструмент в сборе.
После этого в полость НКТ опускается шар большого диаметра - 40 мм, который садится в седло сбивного клапана. Подняв давление в трубах, производят срез штифтов сбивных клапанов, фиксирующих передвижение седла клапана вдоль оси перфорационного устройства, и седло клапана перемещается вниз, открывая промывочное устройство в корпусе. После чего производят освоение, или глушение скважины, или подъем устройства из нее.
Технико-экономические преимущества заявляемого перфоратора по сравнению с известными являются следующие:
- заявляемый перфоратор позволяет одновременно выполнять многощелевую диаметральную перфорацию, в том числе, одновременно в различных требуемых диаметральных направлениях, что повышает производительность;
- позволяет снизить усилие на перемещение перфоратора за счет отсутствия контакта корпуса с колонной;
- является более надежным в эксплуатации на счет применения рабочих цилиндров, которые центрируют режущий инструмент в перфораторе, за счет жестко закрепленного в корпусе отклоняющего клина и одновременного установления взаимодействующего с ним коромысла (поворотного ножа) на оси с эксцентриситетом относительно центра тяжести, которая позволяет в этих условиях сбалансировать плавный поворот коромысла (поворотного ножа) и максимальный выход дисков за перфоратор;
- является простым в изготовлении, монтаже и ремонте за счет простоты конструкции, одинаковых (унифицированных) частей цилиндров рабочих узлов с режущими узлами, возможности быстрой замены режущих элементов;
- обеспечивает технологичность при центрировании перфоратора в трубе, т.к. заявляемый перфоратор центрируется диаметрально режущими дисками относительно внутренней стенки трубы в раскрытом состоянии.