ПЕРФОРАТОР МЕХАНИЧЕСКИЙ ДЛЯ СВЕРЛЕНИЯ СТЕНОК СКВАЖИНЫ, ОБСАЖЕННОЙ ТРУБАМИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 1998 года по МПК E21B43/11 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к устройствам для выполнения радиальных каналов при вскрытии пластов в скважинах, обсаженных колонной.

Известно устройство для радиального сверления стенок скважины, содержащее сверлящие коронки с приводом, выполненным в виде конической зубчатой рейки, связанной с приводной штангой, и конических шестерен, скрепленных со сверлящими коронками [1].

Недостатком данного устройства является низкое качество вскрытия пласта, обусловленное большим гидравлическим сопротивлением высверливаемых каналов, из-за ограниченности диаметра сверлящих коронок и малой глубины внедрения их в пласты. Кроме того, затруднена возможность извлечения сверлящих коронок при заклинивании в радиальных каналах, что приводит к повышению опасности возникновения аварийной ситуации в скважине.

Известно также устройство для радиального сверления стенок скважины, выбранное в качестве прототипа и содержащее цилиндрический корпус, радиально установленную в нем с возможностью осевого перемещения и вращения сверлящую головку с приводом от глубинного двигателя, узел подачи сверлящей головки в виде кольцевой муфты - корпуса и поршня в нем с возвратной пружиной, коническую зубчатую передачу, связывающую привод и сверлящую головку, осевую гидроструйную дроссельную насадку, гидравлически связывающую полость корпуса с затрубным пространством [2].

Недостатками известного устройства также является малая глубина внедрения сверлящей головки в пласт, обусловленная коротким ходом узла подачи и затрудненный возврат сверлящей головки, поскольку она имеет диаметр больший, чем диаметр штока, на котором крепится и при выходе будет цепляться за стенки просверленного отверстия.

Таким образом, возникла задача сконструировать перфоратор, обеспечивающий большую глубину внедрения сверлящей головки в пласт с последующим быстрым и надежным ее возвратом в исходное положение. Эти достоинства перфоратора позволяют повысить нефтеотдачу пласта и предотвратить опасность возникновения аварийных ситуаций.

Поставленную задачу решает перфоратор механический для сверления стенок скважины, обсаженной трубами, представленный в двух вариантах. По первому варианту перфоратор включает корпус, радиально установленную в нем сверлящую головку с приводом от глубинного двигателя и узлом подачи в виде кольцевой муфты с размещенными в нем кольцевым поршнем и средством для возврата поршня, коническую зубчатую пару, связывающую привод и сверлящую головку, гидроструйную дроссельную насадку, связывающую полость корпуса с затрубным пространством. Согласно изобретению, сверлящая головка выполнена двухступенчатой в виде двух телескопически связанных поршней, снабженных шлицами на поверхностях штоков, при этом первая ступень выполнена с возможностью резания стали и цементного камня, а вторая - только стали, причем вторая ступень снабжена ограничителем, а средство для возврата поршней выполнено в виде пружин, охватывающих штоки вышеупомянутых поршней.

Согласно второму варианту изобретения, средство для возврата поршней выполнено в виде пружины, расположенной вне узла подачи сверлящей головки и охватывающий шток дифференциального поршня, размещенного по оси перфоратора, образующего полости с его корпусом и связанного со сверлящей головкой посредством гибкой связи, одним концом укрепленной на дифференциальном поршне, а другим - на первой ступени сверлящей головки, причем гибкая связь снабжена элементом для управления двухпозиционным золотником, связанным с полостями дифференциального поршня и затрубным пространством, при этом в штоковой полости дифференциального поршня размещен нажимной золотник, связанный с поршневой полостью привода сверлящей головки.

Объединение двух технических решений в одну заявку связано с тем, что оба варианта исполнения перфоратора решают одну и ту же задачу - образование более глубоких перфорационных каналов и предотвращение заклинивания сверлящей головки перфоратора принципиально одним и тем же путем с помощью двухступенчатой сверлящей головки и новой системой ее возврата. При этом второй вариант с размещением средства возврата сверлящей головки вне узла подачи позволяет более широко варьировать усилием возврата.

Заявляемые технические решения отличаются от прототипа новой конструкцией сверлящей головки - двухступенчатой, в виде двух телескопически соединенных поршней, выполненных с режущими кромками, специально приспособленными для резания материалов различной твердости и новой конструкцией средства возврата сверлящей головки из двух цилиндрических пружин, по первому варианту, размещенных в узле подачи и одной - вне узла подачи по второму варианту.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии технических решений критерию "Новизна". Признаки, отличающие заявляемые решения от прототипа, не выявлены в других технических решениях, поэтому можно сделать вывод о соответствии критерию "Изобретательский уровень".

Использование в предлагаемом перфораторе двухступенчатой сверлящей головки в виде двух телескопически связанных поршней позволяет повысить эффективность процесса перфорации путем дифференцирования усилия резания. При этом перфорация разбивается на два этапа, первоначальное прорезание обсадной трубы осуществляют режущие кромки первой ступени - получая усилие от поршней обеих ступеней, на втором этапе, когда первая ступень прорезала трубу, обе ступени работают параллельно: первая ступень с меньшим усилием прижатия сверлит менее твердые цементный камень и пластовые породы, вторая - центрируясь по уже проделанному отверстию эффективно расширяет его. При этом глубина сверления двухступенчатой сверлящей головки превышает в 1,5 - 2,0 раза глубину сверления - одноступенчатой, а телескопическое шлицевое соединение надежно передает требуемый для сверления крутящий момент. Выполнение на второй ступени ограничителя повышает надежность возврата сверлящей головки в исходное положение по окончании перфорации. В этом случае вторая ступень сверлящей головки задерживается в стенке обсадной колонны и служит опорой (своеобразным подшипником) для первой ступени. Если возникла угроза заклинивания, например, из-за смещения перфоратора относительно проделанного отверстия, защемляется вторая ступень, первая, свободно возвращаясь, с ударом соприкасается с второй ступенью, которую собственная пружина стремится вернуть в исходное положение. Суммируясь, эти воздействия возвращают обе ступени одновременно в исходное положение. Если же вторая ступень возвращается быстрее, то первая по широкому отверстию без затруднений также вернется в исходное положение. При такой схеме выхода ступеней вторая ступень режет только стальную стенку обсадной трубы и немного цементный камень. Выполнение средства для возврата сверлящей головки в виде двух пружин, охватывающих штоки поршней, дает возможность быстрее и точнее вернуть сверлящую головку в исходное положение. Размещение средства для возврата головки вне узла подачи увеличивает глубину проникновения сверлящей головки и позволяет более широко варьировать усилием возврата. Использование дифференциального поршня, сжимающего пружину возврата при проведении сверления, снимает растягивающую нагрузку с гибкой связи и со сверлящей головки, тем самым увеличивается усилие прижатия головки, что делает более эффективным процесс резания. Использование двухпозиционного золотника, связанного с полостями дифференциального поршня и затрубного пространства, позволяет более надежно предохранить гибкую связь от растягивающих и скручивающих напряжений. Использование нажимного золотника, связанного с поршневой полостью привода сверлящей головки, позволяет полностью снять растягивающую нагрузку с гибкой связи.

На фиг. 1 показан перфоратор с двумя цилиндрическими пружинами возврата, продольный разрез; на фиг. 2 - вариант перфоратора с пружиной возврата, расположенной вне узла подачи сверлящей головки, продольный разрез; на фиг. 3 - сверлящая головка в процессе резания.

Перфоратор механический состоит из корпуса 1, закрепленного посредством стыковочного устройства 2 на глубинном двигателе 3. Сверху и снизу на корпусе 1 выполнены узлы прижатия перфоратора к стенке скважины 4. Вал глубинного двигателя 3 соединен с промежуточным валом 5 с конической шестерней 6, установленной в подшипниках 7. Шестерня 6 находится в зацеплении с зубчатым колесом 8, закрепленном на кольцевой муфте 9, внутри которой размещена сверлящая головка с узлом подачи. Сверлящая головка состоит из двух ступеней 10 и 11, закрепленных на телескопически связанных поршнях 12 и 13, соответственно. Поршни 12 и 13 имеют штоки, связанные между собой телескопическими шлицевыми соединениями 14 и 15. Штоки охватываются пружинами 16, служащими средством для возврата поршней 12 и 13. Кольцевая муфта 9 опирается на подшипники 17 и 18. На второй ступени 11 сверлящей головки установлен ограничитель 19. В корпусе 1 перфоратора также размещена гидроструйная дроссельная насадка (не показана).

В другом варианте возвратная пружина 19 охватывает шток 10 дифференциального поршня 21, соединенного гибкой связью 22 со сверлящей головкой. Гибкая связь 22 одним концом закреплена на дифференциальном поршне 21 посредством пружины 23, втулки 24 и шайбы 25, а другим - на поршне 12 первой ступени 10 сверлящей головки посредством подшипника 26. Гибкая связь 22 опирается на опоры 27, на ней закреплен элемент 28 для управления двухпозиционным золотником 29, соединяющим гидравлически полости дифференциального поршня 21 с затрубным пространством. В штоковой полости А дифференциального поршня 21 установлен нажимной золотник 30, соединенный с поршневой полостью Б через жиклер 21.

Перфоратор работает следующим образом.

Перед спуском в скважину перфоратор стыкуют с глубинным двигателем 3 и на колонне НКТ спускают до интервала перфорации. После этого под давлением подают рабочую жидкость по НКТ. Ротор двигателя 3 начинает вращаться, приводя в движение через вал 5 конические шестерни 6 и 8, сверлящую головку. Жидкость, выйдя из двигателя 3, попадает во внутреннюю полость перфоратора, а из нее - в затрубное пространство через струйную дроссельную насадку. За счет перепада давления на насадке срабатывают узлы прижатия 4 и прижимают перфоратор к стенке скважины со стороны выхода сверлящей головки. Возникший перепад давления воздействует также на поршни 12 и 13, которые выдвигают сверлящую головку. На первом этапе, когда проводят прорезание стенки обсадной трубы, сверлит только первая ступень 10 с усилием обоих поршней 12 и 13. На втором этапе перфорации первая ступень 10 сверлит цементный камень с усилием от своего поршня 12. а вторая ступень 11 - расширяет отверстие в стенке обсадной трубы вплоть до упора ограничителя 19. После этого вторая ступень 11 служит опорой для первой ступени 10. По окончании перфорации подачу жидкости отключают. Перепад давления на дроссельной головке исчезает и сверлящая головка под действием пружины 16 возвращается в исходное положение. При этом в первую очередь возвращается первая ступень 10, имеющая более жесткую пружину, войдя в соприкосновение со второй ступенью 11, первая ступень 10 с ударом вытягивает ее из стенки скважины в исходное положение. Надежность возврата увеличивается, если наружную поверхность режущих кромок второй ступени 11 выполнить по конической поверхности. Узел прижатия перфоратора к стенке скважины 4 выводится из заклинивания при подъеме колонны НКТ с перфоратором.

Во втором варианте, после прижатия перфоратора к стенке скважины и заклинивания узлов прижатия 4 возникший перепад давления двигает дифференциальный поршень 22 наверх, сжимая пружину 20, при этом гибкая связь 23, например тросик, поддерживается в слегка натянутом состоянии пружиной 24. В конце хода дифференциальный поршень 22 штоком 21 открывает нажимной золотник 31 и жидкость через жиклер 32 подается в поршневую полость Б вращающейся сверлящей головки. Головка начинает медленно выдвигаться, вытягивая за собой гибкую связь 21. Процесс сверления протекает вышеописанным способом. По достижении установленной максимальной глубины сверления элемент 21 переключает двухпозиционный золотник 30. Последний соединяет внутреннюю полость дифференциального поршня 22 с затрубным пространством. Перепад давления на поршне 22 исчезает и пружина 20 начинает возврат его в исходное положение, освобождая нажимной золотник 31. Доступ давления в поршневую полость Б сверлящей головки прекращается и пружина 20 легко возвращает вращающуюся сверлящую головку в исходное положение. После прекращения подачи жидкости вращение прекращается, а двухпозиционный золотник 30, находящийся до этого под действием небольшого перепада давления, возвращается в исходное положение. Процесс свершения и возврата в исходное положение проходит автоматически, при этом надежно, так как возврат проводится мощной пружиной и при вращающейся сверлящей головке.

Таким образом, в отличие от известных устройств предлагаемое отличается следующими преимуществами.

1. Из-за большой глубины создаваемых перфорационных каналов, позволяет уменьшить гидравлическое сопротивление их, т.е. увеличить последующим дебит скважин, а, следовательно, и нефтеотдачу пластов.

2. Снижает возможность создания аварийной ситуации, связанной с заклиниванием режущего элемента в выработанном им катале в стенке скважины и в теле обсадной трубы.

Изобретение используется при перфорации нефтяных, газовых и других скважин, обсаженных трубами и обеспечивает создание в стенке скважины каналов большого сечения и протяженности, а также повышение надежности и безаварийности. Сущность изобретения: устройство содержит двухступенчатую сверлящую головку с приводом от глубинного двигателя, узел подачи в виде телескопического гидроцилиндра и механизм возврата в виде пружины. Во втором варианте механизм возврата расположен вне узла подачи. Он снабжен гидроавтоматикой, которая при подаче давления осуществляет отключение механизма возврата - включение механизма подачи - сверление до заданной глубины - отключение механизма подачи - включение механизма возврата - возврат. Это обеспечивает уменьшение гидравлического сопротивления каналов. Это повышает дебит скважин и снижает опасность защемления сверлящей головки в стенке скважины. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Перфоратор механический для сверления стенок скважины, обсаженной трубами, включающий корпус, радиально установленную в нем сверлящую головку с приводом от глубинного двигателя и узлом подачи в виде кольцевой муфты с размещенными в ней кольцевым поршнем и средством для возврата поршня, коническую зубчатую пару, связывающую привод и сверлящую головку, гидроструйную дроссельную насадку, связывающую полость корпуса с затрубным пространством, отличающийся тем, что сверлящая головка выполнена двухступенчатой с приводом в виде телескопически связанных поршней, снабженных шлицами на поверхности штоков, при этом первая ступень выполнена с возможностью резания стали и цементного камня, а вторая - только стали, причем вторая ступень снабжена ограничителем, а средство для возврата поршней выполнено в виде пружин, охватывающих штоки вышеупомянутых поршней. 2. Перфоратор механический для сверления стенок скважины, обсаженной трубами, включающий корпус, радиально установленную в нем сверлящую головку с приводом от глубинного двигателя и узлом подачи в виде кольцевой муфты с размещенными в ней кольцевыми поршнем и средством для возврата поршня, коническую зубчатую пару, связывающую привод и сверлящую головку, гидроструйную дроссельную насадку, связывающую полость корпуса с затрубным пространством, отличающийся тем, что сверлящая головка выполнена двухступенчатой с приводом в виде телескопически связанных поршней, снабженных шлицами на поверхности штоков, при этом первая ступень выполнена с возможностью резания стали и цементного камня, а вторая - только стали, причем вторая ступень снабжена ограничителем, а средство для возврата поршней выполнено в виде пружины, расположенной вне узла подачи сверлящей головки и охватывающей шток дифференциального поршня, размещенного по оси перфоратора, образующего полости с его корпусом и связанного со сверлящей головкой посредством гибкой связи, одним концом укрепленной на дифференциальном поршне, а другим - на первой ступени сверлящей головки, причем гибкая связь снабжена элементом для управления двухпозиционным золотником, связанным с полостями дифференциального поршня и затрубным пространством, при этом в штоковой полости дифференциальной поршня размещен нажимной золотник, связанный с поршневой полостью привода сверлящей головки.