СКВАЖИННЫЙ ПЕРФОРАТОР Российский патент 1994 года по МПК E21B43/114 

Изобретение относится к нефтегазовой промышленности и предназначено для вскрытия пласта в обсаженной скважине.

Известен скважинный перфоратор, содержащий корпус с узлом подвески, установленные в нем поворотный режущий элемент, механизмы привода и подачи. Это устройство теоретически обеспечивает достаточную глубину перфорации [1] .

Недостатки его заключаются в следующем:
а) нет механизма для фиксации корпуса устройства в скважине, следовательно, возникающие вибрации неизбежно приведут к слому режущего элемента стержневого типа, тем более, что при работе на режущий элемент будет постоянно воздействовать изгибающее усилие;
б) роль механизма подачи выполняет пружина растяжения, поэтому не обеспечивается равномерность подачи режущего элемента и стабильность его прижатия к поверхности резания по мере углубления режущего элемента в стенку скважины, т. к. сила упругости растянутой пружины в результате ее сжатия постепенно уменьшается. Это намного снижает скорость прорезания, надежность и эффективность перфорации обсадной колонны, цементного кольца и породы;
в) режущий элемент в исходном положении фиксируется в корпусе с помощью гибкой нити, которая обрывается при начале вращения режущего элемента. Поэтому при подъеме перфоратора конец режущего элемента скользит по стенке скважины, что приводит к неоправданному дополнительному износу режущего элемента, а также излишнему торможению (замедлению) подъема перфорирующего устройства, особенно при работе в наклонно направленных скважинах. Кроме того, при прохождении устройства через муфтовые стыки обсадной колонны может произойти слом режущего элемента.

Известно устройство для прорезания щелей в скважине, принятое за прототип, включающее корпус, узел подвески корпуса, режущий узел, связанный с корпусом, установленный с возможностью поворота относительно его оси и выполненный в виде плоской станины, и фрезы в виде замкнутой цепи, помещенной на станине с возможностью перемещения относительно последней, механизмы привода и подачи режущего узла [2] .

По сравнению с предлагаемым перфоратором известный имеет следующие недостатки:
нет гидроусилителя, что не дает возможности заполнить систему привода подачи минеральным маслом для улучшения условий работы системы (цилиндра, поршня) привода и повышения надежности его работы;
выполнение привода подачи с большей длиной хода поршня и за счет рычажного механизма преобразовать движение поршня с проигрышем в расстоянии и выигрышем в силе существенно усложняет механизм привода подачи и снижает его надежность;
механизм привода имеет узел цепной передачи (кроме режущего элемента), что также усложняет механизм привода и снижает надежность его работы;
отсутствует механизм надежной фиксации корпуса перфоратора, а режущий элемент не может выполнять роль механизма фиксации, поскольку этот элемент движущийся и реактивная сила движения (вращения цепной фрезы) будет стремиться перемещать корпус фрезы по стенке скважины. Отсутствие механизма надежной фиксации корпуса перфоратора в скважине неизбежно приведет к возникновению вибраций и заклиниванию или слому режущего элемента, что доказано практикой применения механических перфораторов;
прототип предназначен для прорезания щелей только в стенке необсаженной скважины за пределы зоны кольматации (загрязнения и закупорки) продуктивного пласта, а необсадной колонны и цементного камня за колонной, поскольку цепная фреза теряет жесткость, что обусловлено отходом цепной фрезы от плоской станины со стороны резания при сгибе станины и выходе фрезы из корпуса перфоратора.

Цель изобретения - повышение надежности работы устройства за счет увеличения жесткости режущего узла и снижения возможности его заклинивания при одновременном повышении усилия резания.

Поставленная цель достигается тем, что скважинный перфоратор, включающий корпус, узел подвески корпуса, режущий узел, связанный с корпусом, установленный с возможностью поворота относительно его оси и выполненный в виде плоской станины и фрезы в виде замкнутой цепи, помещенной на станине с возможностью перемещения относительно последней, механизмы привода и подачи режущего узла, в отличие от прототипа снабжен механизмом фиксации корпуса и гидроусилителем режущего узла, при этом механизм фиксации корпуса выполнен в виде жестко связанного с корпусом гидроцилиндра и лапы, шарнирно связанной с корпусом и поршнем гидроцилиндра и установленной с возможностью перемещения за пределы корпуса, а гидроусилитель режущего узла выполнен в виде жестко связанного с корпусом ступенчатого гидроцилиндра с установленным в нем дифференциальным поршнем, подпружиненным относительно корпуса и образующим с ним поршневую полость, гидравлически связанную с полостью корпуса, подпоршневую полость, гидравлически связанную с механизмами подачи режущего узла и фиксации корпуса, и разрядную полость, гидравлически связанную с внешним пространством.

На фиг. 1 показана конструктивная схема скважинного перфоратора; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - режущий механизм перфоратора; на фиг. 4 - вид по стрелке Б на фиг. 3; на фиг. 5 - сечение по В-В режущего механизма на фиг. 3.

Скважинный перфоратор содержит корпус 1 с узлом подвески, установленные в нем режущий элемент 2, привод для подачи режущего механизма, состоящий из гидроцилиндра 3, шарнирно закрепленного у корпусе 1, штока 4 и поршня 5, механизм закрепления и фиксации корпуса перфоратора, состоящий из жестко связанного с корпусом 1 гидроцилиндра 6, поршня 7, штока 8, шарнирно связанной с корпусом 1 лапы 9 и шарнирных осей крепления 10 и 11, гидроусилитель 12, состоящий из жестко связанного с корпусом 1 ступенчатого цилиндра 13 и установленного в нем дифференциального поршня 14 с уплотнительными кольцами 15 и 16, и нижний переходник 17. В корпусе 1 установлены гидравлический двигатель 18, редуктор 19 с выходным валом 20 и коническим зубчатым колесом 21, который находится в зацеплении с другим зубчатым колесом 22 (см. фиг. 2), установленным на оси 23 и жестко соединенным с зубчатым колесом 24 режущего элемента 2. Режущий элемент выполнен в виде (см. фиг. 1, 3, 4 и 5) фрезы, состоящей из звеньев 25 с закругленными режущими головками, шарнирно соединенных между собой с помощью осей 26 и образующих замкнутую цепь, размещенную с возможностью перемещения на плоской станине 27 с помощью зубчатых колес 24 и 28, установленных на осях 23 и 29, которые закреплены на станине 27. Станина 27 шарнирно соединена с помощью оси 30 со штоком 4 привода подачи. Гидравлическая связь гидроусилителя 12 с гидроцилиндрами 3 и 6 осуществляется с помощью трубки 31 и канала "а", сообщающегося с полостью подпоршневой "б" высокого давления ступенчатого цилиндра 13.

Гидравлическая связь надпоршневой полости "в" низкого давления с полостью "г" над гидродвигателем 18 осуществляется с помощью трубки 32 и канала "д" в корпусе 1. Разрядная полость "е" гидроусилителя сообщается через радиальный канал "ж" со скважиной, т. е. с внешним пространством. Пружина 33 служит для возврата в исходное положение поршня 14. В корпусе 1 выполнены также радиальный канал "з" под гидродвигателем 18 и окно "к" для выхода режущего элемента 2. Режущие кромки звеньев 25 выполнены из твердосплавных металлов.

Устройство работает следующим образом.

В колонне НКТ создают давление прокачиванием рабочей жидкости, под действием которой начинает работать гидравлический двигатель 18 и через редуктор 19 вращает выходной вал 20 с коническим зубчатым колесом 21, которое передает вращательное движение зубчатым колесам 22, 24 и приводит в движение цепную фрезу 25 режущего элемента 2. Рабочая жидкость, вытекающая из гидродвигателя 18, проходит через радиальный канал "з" в корпусе 1 в скважину (затрубное пространство). Давление, создаваемое в НКТ над гидродвигателем 18, из полости "г" передается через канал "д" в корпусе 1 и трубку 32 в надпоршневую полость "в" ступенчатого цилиндра 13 гидроусилителя, под действием которого дифференциальный поршень 14 перемещается вниз. При этом жидкость из разрядной полости "е" перетекает через радиальный канал "ж" в скважину, а жидкость (минеральное масло) из подпоршневой полости "б" подается под увеличенным давлением через канал "а" и трубку 31 в гидроцилиндры 3 и 6 под поршни 5 и 7. Под действием давления поршень 7 со штоком 8 перемещается вправо и выдвигает лапу 9 для закрепления и фиксирования перфоратора в обсадной колонне. Масло под поршень 5 в гидроцилиндре 3 подается через гидравлическое сопротивление (гидравлическое реле времени, которое на чертеже не показано), поэтому перемещение поршня 5 со штоком 4 происходит медленно. Этим обеспечивается дозированная подача режущего элемента 2. Вращающаяся цепная фреза 25 режущего элемента 2 прорезает обсадную колонну, цементное кольцо за колонной и продуктивный пласт. После полного выхода режущего элемента 2 прекращают нагнетание рабочей жидкости в НКТ. Под действием сил упругости пружины 33 дифференциальный поршень 14 перемещается вверх, масло из гидроцилиндров 3 и 6 перетекает в подпоршневую полость "б" ступенчатого цилиндра 13 гидроусилителя, лапа 9 и режущий элемент возвращается в исходное положение.

После окончания перфорации на заданном уровне пласта производят подъем колонны НКТ на необходимое расстояние интервала перфорации и процесс прорезания повторяют.

Возвращение режущего элемента и лапы крепления в исходное положение можно осуществить другим способом, например путем повышения давления в затрубном пространстве скважины.

При применении предлагаемого устройства выход перфорирующего (режущего) элемента осуществляется на значительную величину, производится сравнительно глубокая перфорация пласта, включая кольматированную зону. За счет увеличения жесткости фиксация перфоратора в обсадной колонне и устранения возможности заклинивания режущего элемента при одновременном повышении усилий и глубины резания обеспечивается надежное и эффективное вскрытие продуктивного пласта в обсаженных скважинах. (56) Авторское свидетельство СССР N 605938, кл. Е 21 В 43/114, 1975.

Патент США N 2178554, кл. 175-90, 1939.

Использование: при вскрытии пластов в обсаженных скважинах. Обеспечивает повышение надежности работы устройства за счет увеличения жесткости режущего узла и снижения возможности его заклинивания при одновременном повышении усилия резания. Сущность изобретения: устройство включает корпус с узлом подвески. С корпусом связан режущий узел, установленный с возможностью поворота относительно оси корпуса и выполненный в виде плоской станины и фрезы. Последняя выполнена в виде замкнутой цепи и помещена на станине с возможностью перемещения относительно станины. Устройство имеет механизмы привода и подачи режущего узла. Оно снабжено механизмом фиксации корпуса и гидроусилителем режущего узла. Механизм фиксации корпуса выполнен в виде гидроцилиндра и лапы. Гидроцилиндр жестко связан с корпусом. Лапа шарнирно связана с корпусом и поршнем гидроцилиндра и установлена с возможностью перемещения за пределы корпуса. Гидроусилитель режущего узла выполнен в виде ступенчатого гидроцилиндра и дифференциального поршня, установленного в ступенчатом гидроцилиндре, и подпружиненного относительно корпуса и образующего с корпусом надпоршневую, подпоршневую и разрядную полости. Надпоршневая полость гидравлически связана с полостью корпуса. Подпоршневая - с механизмами подачи режущего узла и фиксации корпуса, разрядная - с внешним пространством. 5 ил.

СКВАЖИННЫЙ ПЕРФОРАТОР, включающий корпус, узел подвески корпуса, режущий узел, связанный с корпусом, установленный с возможностью поворота относительно его оси и выполненный в виде плоской станины и фрезы в виде замкнутой цепи, помещенной на станине с возможностью перемещения относительно последней, механизмы привода и подачи режущего узла, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности работы перфоратора за счет увеличения жесткости режущего узла и снижения возможности его заклинивания при одновременном повышении усилия резания, он снабжен механизмом фиксации корпуса и гидроусилителем режущего узла, при этом механизм фиксации корпуса выполнен в виде жестко связанного с корпусом гидроцилиндра и лапы, шарнирно связанной с корпусом и поршнем гидроцилиндра и установленной с возможностью перемещения за пределы корпуса, а гидроусилитель режущего узла выполнен в виде жестко связанного с корпусом ступенчатого гидроцилиндра с установленным в нем дифференциальным поршнем, подпружиненным относительно корпуса и образующим с ним надпоршневую полость, гидравлически связанную с полостью корпуса, подпоршневую полость, гидравлически связанную с механизмами подачи режущего узла и фиксации корпуса, и разрядную полость, гидравлически связанную с внешним пространством.