УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ ВЫРЕЗА В ПОДЗЕМНОМ ПЛАСТЕ Российский патент 1999 года по МПК E21B43/11 E21B29/00 

Настоящее изобретение относится к устройству для образования выреза вблизи скважины, пересекающей подземный пласт.

При заканчивании скважин для добычи нефти и газа часто требуется перфорировать пласт и/или обсадную трубу и окружающее цементное кольцо, чтобы дать возможность текучей среде течь из пласта в ствол скважины.

Обычной практикой является образование таких перфораций посредством кумулятивных перфораторов, которые с большой скоростью выстреливают струю металлических частиц через обсадную трубу и цементную облицовку в окружающий пласт.

Предпринимались многочисленные попытки создать устройства, которые могли бы прорезать вырезы вблизи подземного ствола скважины, но при этом не разрушали и не уплотняли бы подземный пласт в такой степени, как это имеет место при использовании перфораторов.

В патенте США N 3225828 раскрыто режущее устройство для образования выреза в нисходящей скважине, содержащее режущий круг. Во время использования известного устройства вращающийся режущий круг частично выдвигают из его корпуса и прорезают вырез в окружающей обсадной трубе или стволе скважины, после чего отводят режущий круг назад опять в корпус и извлекают устройство из скважины. В патентах США N 4106561 и 4220201 раскрыты другие устройства, в которых используют режущий круг для прорезания вырезов.

Недостатком этих известных режущих устройств является то, что глубина выреза, образуемого в подземном слое, является сравнительно небольшой, так как максимальное выдвижение режущего круга меньше 50% диаметра ствола скважины.

В патенте Великобритании N 842549 и патентах США N 1406351 и 2178554 раскрыты снабженные цепными пилами устройства для прорезания скважин, которые содержат сложные механизмы для поворота рычага пилы между его продольным и поперечным положениями.

Целью настоящего изобретения является создание устройства, которое обеспечивает увеличение площади и глубины выреза вблизи скважины, пересекающей подземный пласт для улучшения сообщения между стволом скважины и окружающим пластом.

Устройство согласно изобретению содержит рычаг пилы, который шарнирно соединен с корпусом таким образом, что рычаг пилы может поворачиваться между первым положением, в котором рычаг пилы расположен по существу параллельно продольной оси корпуса, и вторым положением, в котором рычаг пилы расположен в направлении от продольной оси корпуса. Рычаг пилы снабжен бесконечной цепью, на которой установлен ряд режущих элементов, при этом имеется приводное средство, заставляющее цепь обегать вокруг рычага пилы.

Кроме того, приводное средство содержит гидравлический двигатель, который подвижно установлен внутри корпуса с возможностью в ответ на прилагаемое к нему гидравлическое давление перемещаться вдоль корпуса вместе с поворачивающим механизмом, заставляя тем самым рычаг пилы поворачиваться во второе положение. Устройство, кроме того, содержит пружинный механизм, который заставляет рычаг пилы поворачиваться обратно в первое положение при отсутствии гидравлического давления на двигатель.

Рычаг пилы предпочтительно выполнен в виде удлиненной лопатки, а приводное средство, заставляющее бесконечную цепь обегать вокруг рычага пилы, содержит приходной вал, который приводится в движение гидравлическим поршневым двигателем типа "Муано".

Поворачивающий механизм предпочтительно содержит цилиндрическое прямозубое колесо, которое прикреплено к поддерживаемому концу рычага пилы, и поршневой узел, который несет на себе двигатель и зубчатую рейку, зубья которой взаимодействуют с цилиндрическим прямозубым колесом.

Изобретение будет подробнее описано в качестве примера со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 схематически изображает частичный разрез вертикальной скважины, в которой расположено режущее устройство согласно настоящему изобретению; и
фиг. 2 схематически изображает частичный разрез режущего устройства в масштабе, отличном от масштаба фиг. 1.

На фигуре 1 показана скважина 1, пересекающая подземный пласт 2. Скважина 1 содержит ствол 3 скважины, в котором установлена обсадная труба 5. Кольцевое пространство между обсадной трубой 5 и стенкой ствола 3 скважины заполнено цементом 7.

Режущее устройство 10 по настоящему изобретению содержит корпус 11 и рычаг 15 пилы, который шарнирно соединен с корпусом 11. Рычаг 15 пилы окружен бесконечной цепью 24, снабженной режущими элементами 25. Кроме того, режущее устройство 10 включает в себя устройство 17 для поворота рычага 15 пилы относительно корпуса 11, двигатель на чертеже не показан, и систему 20 передачи, обеспечивающую обегание цепи 24 вокруг рычага 15 пилы.

Внутри скважины 1 режущее устройство подвешено к нижнему концу трубы 21. Во время опускания режущего устройства 10 в скважину 1 рычаг 15 пилы удерживается в первом положении, в котором рычаг 15 пилы располагается параллельно продольной оси 1 корпуса 11. Когда режущее устройство достигает места, в котором необходимо выполнить вырез в обсадной трубе 5 и окружающем слое 2, включают в работу двигатель для приведения в движение бесконечной цепи 24. Одновременно постепенно поворачивают рычаг 15 пилы во второе положение, в котором рычаг 15 пилы расположен в направлении от продольной оси 1 корпуса 11. Как показано на фиг. 1, во втором положении рычаг 15 пилы простирается перпендикулярно продольной оси 1 корпуса 11. Затем режущее устройство 11 перемещают вверх по скважине 1, при этом режущие элементы 25 на бесконечной цепи 24 прорезают удлиненный вырез 23 в обсадной трубе 5, цементном кольце 7 и окружающем пласте 2. После достижения необходимой длины удлиненного выреза 23 поворачивают рычаг 15 пилы обратно в первое положение и извлекают режущее устройство 10 из скважины 1. Площадь поверхности с каждой стороны удлиненного выреза 23 равна произведению длины удлиненного выреза 23 на его глубину, которая является размером выреза, перпендикулярным к скважине 1.

Длину рычага 15 пилы выбирают таким образом, чтобы глубина удлиненного выреза 23 в 0,25-3,0 раза или более, а более предпочтительно в 0,5-1,50 раза превышала диаметр пробуренного ствола скважины 2. Режущее устройство 10, показанное на фиг. 1, будет подробнее описано со ссылкой на фиг. 2.

Режущее устройство 10 содержит корпус 11 и рычаг 15 пилы, который шарнирно соединен с корпусом 11. Рычаг 15 пилы может поворачиваться между первым положением, в котором рычаг 15 пилы простирается параллельно продольной оси корпуса 11, и вторым положением, в котором рычаг 15 пилы простирается в направлении от продольной оси корпуса 11, как это показано на фиг. 2.

Кроме того, режущее устройство включает в себя устройство 17 для поворота рычага 15 пилы относительно корпуса 11 и двигатель 27, снабженный шлицевым телескопическим выходным валом 28 и системой 20 передачи для обеспечения обегания бесконечной цепи 24 с режущими элементами 25 вокруг рычага 15 пилы.

Бесконечная цепь 24 обегает шкив или звездочку 29, которая расположена на поддерживаемом конце рычага 15 пилы. Шкив или звездочка 29 соединена с приводным валом 30, который соединен с корпусом 11 с возможностью вращения в нем благодаря подшипниковому узлу (на чертеже не показан). Направление приводного вала 30 перпендикулярно продольной оси 1 корпуса 11. Рычаг 15 пилы шарнирно соединен с приводным валом 30.

Приводной вал 30 в свою очередь имеет привод через систему 20 передачи. Эта система передачи представляет собой прямозубую или косозубую коническую зубчатую передачу, имеющую ведомое зубчатое колесо 31, соединенное с приводным валом 30, и ведущее зубчатое колесо 32, прикрепленное к нижнему концу телескопического выходного вала 28 двигателя 27. Телескопический выходной вал 28 поддерживается вблизи ведущего зубчатого колеса 32 посредством опоры (на чертеже не показана), которая предотвращает осевое или боковое смещение конца телескопического выходного вала 28.

Устройство 17 для поворота рычага 15 пилы включает в себя устройство 35, обеспечивающее поступательное движение рейки 37 в продольном направлении корпуса 11, и устройство 39, преобразующее поступательное движение рейки 37 во вращательное движение рычага 15 пилы. Устройство 39 содержит цилиндрическое прямозубое колесо 40, взаимодействующее с зубьями 41 на рейке 37. Цилиндрическое прямозубое колесо 40 снабжено рычагом 42, который соединен с рычагом 15 пилы для передачи вращательного движения цилиндрического прямозубого колеса 40 к рычагу 15 пилы.

Устройство 35, обеспечивающее поступательное движение рейки 37 в продольном направлении корпуса 11, содержит поршень 45, снабженный отверстием 46, и трубчатый приводной узел 48. Последний содержит наружную трубу 49 и внутреннюю трубу 50. Верхний конец наружной трубы 49 соединен с поршнем 45, а рейка 37 - с нижним концом внутренней трубы 50.

Корпус 11 снабжен выступающим внутрь кольцом 52, а наружная труба 49 - заплечиком 53 для ограничения движения устройства 36 между первым положением, в котором заплечик 53 соприкасается с выступающим внутрь кольцом 52, и вторым положением, в котором поршень 45 соприкасается с выступающим внутрь кольцом 52. Зубчатая рейка 37 и цилиндрическое прямозубое колесо 40 сконструированы таким образом, что в первом положении рычаг 15 пилы расположен в направлении корпуса 11, а во втором положении рычаг 15 пилы расположен перпендикулярно корпусу 11.

Корпус, кроме того, снабжен выступающим внутрь опорным кольцом 55, а внутренняя труба 50 снабжена выступающим наружу кольцом 56. В кольцевом пространстве 60 между внутренней трубой 50 и корпусом 11 расположены две пружины: пружина возврата 62, помещенная между выступающим внутрь опорным кольцом 55 и выступающим наружу кольцом 56, и пружина сжатия 64, расположенная между выступающим наружу кольцом 56 и нижним концом наружной трубы 49. Две пружины 62 и 64 предназначены для образования слегка подвижной подвески рычага 15 цепной пилы, которая позволяет цепной пиле реагировать на твердые места в обсадной трубе и/или окружающих цементной облицовке и пласте.

Двигатель 27 прикреплен к внутренней трубе 50 посредством опор 67 и 69 . Телескопический выходной вал 28 двигателя 27 пропущен через отверстие 70 в перегородке 71.

Двигатель 27 представляет собой гидравлический поршневой двигатель типа "Муано". Двигатель 27 установлен соосно продольной оси 1 корпуса 11. Верхней опорой 67 является кольцо, которое предотвращает утечку рабочей жидкости двигателя 27.

Во время нормальной работы режущее устройство 10 опускают в скважину 1 (фиг. 1) на нижнем конце трубы 21. При опускании режущего устройства 10 рычаг 15 пилы находится в первом положении, соосном относительно продольной оси 1. Затем приводят в действие двигатель 27, пропуская рабочую жидкость по трубе 21. Эта жидкость через отверстие 46 проходит в поршневой двигатель 27. Телескопический выходной вал 28 двигателя 27 через систему 20 передачи приводит в движение бесконечную цепь 24 с режущими элементами 25.

Жидкость, подаваемая по трубе 21, действует также на поршень 45, в результате чего устройство 35, обеспечивающее перемещение рейки 57, движется вниз, при этом рычаг 15 пилы будет постепенно поворачиваться в положение от продольной оси 1 корпуса 11. При повороте рычага 15 пилы режущие элементы 25 прорезают обсадную трубу 5 (фиг. 1), слой цемента 7 и подземный слой 2. Когда рычаг 15 пилы простирается в желаемом поперечном направлении относительно продольной оси 1, режущее устройство 10 тянут вверх для образования удлиненного выреза 23 в подземном пласте 2.

Когда удлиненный вырез 23 выполнен на делаемую длину, прекращают подачу жидкости, при этом пружина возврата 62 давит на устройство 35, вызывая перемещение рейки 37 вверх, так что рычаг 15 пилы возвращается в свое первое, соосное положение. После этого режущее устройство 10 может быть удалено из скважины 1.

Длина рычага 15 пилы не ограничена диаметром корпуса или ствола скважины, поэтому вырез можно сделать с намного большей глубиной, чем это возможно с известными режущими устройствами, в которых применяются режущие круги. Кроме того, удлиненный вырез по настоящему изобретению имеет плоские стенки, поэтому применение выреза дает увеличение в добыче, по меньшей мере, на 25% по сравнению с обычными перфорациями аналогичной глубины, которые образуют с помощью перфоратора. Удлиненные вырезы, выполненные в соответствии со способом по настоящему изобретению, также улучшают любую последующую обработку скважины, как, например, гравийную набивку, гидравлический разрыв пласта и другие способы обработки для интенсификации притока. Когда вырезы согласно изобретению используют в сочетании с гравийной набивкой, то можно ожидать значительно большего прироста добычи (вплоть до 300%) ввиду отсутствия разрушенной зоны с мелкими частицами, которые стремятся закупорить каналы гравийного фильтра в перфорациях, образованных обычными способами перфорирования.

Режущее устройство может быть снабжено системой трубопроводов и соплами для распределения жидкости, используемой для работы двигателя, к режущим элементам для их очистки.

Выбирая соответствующую плотность жидкости в скважине, можно регулировать давление жидкости вблизи рычага пилы. Чтобы облегчить резание пласта, это давление может быть больше пластового давления. Альтернативно давление может быть меньше пластового давления, при этом жидкость будет течь из пласта в скважину и очищать режущие элементы.

Двигатель устройства, описанного со ссылкой на фиг. 2, представляет собой гидравлический поршневой двигатель, но вместо него может быть использована гидравлическая турбина или электрический двигатель. В случае использования гидравлического двигателя режущее устройство будет прикреплено к нижнему концу трубы, как, например, бурильной трубы или наматываемому трубопроводу. Если двигателем является электродвигатель, то режущее устройство прикрепляют к нижнему концу электрического кабеля или наматываемого трубопровода, снабженного внутри электрическим кабелем. Альтернативно режущее устройство может быть снабжено системой передачи, которая передает к бесконечной цепи вращение трубы, на которой устройство опускают в скважину.

Рейка 37 может быть заменена вращающимся валиком, который приводится в движение электродвигателем и взаимодействует с цилиндрическим прямозубым колесом.

Режущее устройство согласно настоящему изобретению может быть оснащено более чем одним рычагом пилы, например, двумя симметричными рычагами пилы. В таком случае второй рычаг пилы (на чертеже не показан) может быть выполнен поворотным вокруг приводного вала 30 и может быть повернут посредством цилиндрического прямозубого колеса, которое приводится а движение зубчатой рейкой. Такие зубчатая рейка и цилиндрическое зубчатое колесо могут быть установлены в зеркально отображенном положении относительно цилиндрического прямозубого колеса 40 и зубчатой рейки 37, показанных на фиг. 2.

Как описывалось со ссылкой на фиг. 1, режущие элементы прорезают обсадную трубу, цемент и пласт. Понятно, что когда скважину будут заканчивать созданием облицовки, режущие элементы будут прорезать облицовку, а когда скважина будет представлять собой скважину, не закрепленную обсадными трубами, вырез будет сделан только в пласте.

Кроме того, если скважина содержит стальную обсадную трубу или облицовку, то устройство может быть снабжено дисковой пилой, посредством которой вначале выполняют вырез в обсадной трубе или облицовке, после чего ленточную пилу поворачивают через выполненный таким образом вырез для прорезания выреза в цементной облицовке и окружающем пласте.

Скважина, показанная на фиг. 1, была вертикальной скважиной, однако применение режущего устройства согласно настоящему изобретению не ограничивается вертикальными скважинами. Скважина может быть также наклонной или горизонтальной скважиной, причем в этом случае термин "вверх" означает "в направлении ближе к устью скважины".

В зависимости от применяемых двигателя и системы передачи бесконечная цепь может обегать в двух направлениях.

Удлиненный вырез может быть выполнен поступательным перемещением вверх (как описано со ссылкой на фиг. 1) или вниз.

Режущие элементы 25 изготовлены из износостойкого материла, как, например, карбида вольфрама или природного или синтетического алмаза.

Понятно, что имеются многочисленные возможности по созданию поворачивающего механизма, который постепенно поворачивает рычаг 15 пилы в поперечное положение, показанное на фиг. 1, в то время как режущие элементы 25 прорезают вырез, и который возвращает рычаг пилы в продольное положение после прорезания выреза.

Таким образом, должно подразумеваться, что вариант выполнения режущего устройства для образования выреза, показанный на чертежах, является лишь иллюстративным.

Режущее устройство для образования выреза вблизи скважины, пересекающей подземный пласт, содержит рычаг цепной пилы, который несет бесконечную цепь с режущими элементами. При использовании цепь обегает вокруг рычага, в то время как он постепенно поворачивается из продольного в поперечное положение относительно ствола скважины, тем самым заставляя режущие элементы прорезать вырез в пласте и обсадной трубе или облицовке скважины, если они имеются. Приводное средство содержит гидродвигатель, подвижно установленный внутри корпуса. Под действием давления жидкости гидродвигатель и поворачивающий механизм перемещаются вдоль корпуса. При снятии давления под действием пружины гидродвигатель возвращается в исходное положение. Увеличивается площадь и глубина выреза вблизи скважины, пересекающей подземный пласт. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Режущее устройство для образования выреза вблизи скважины, пересекающей подземный пласт, содержащее рычаг (15) пилы, шарнирно соединенный с корпусом (11) с возможностью поворота между первым положением, в котором рычаг (15) пилы расположен по существу параллельно продольной оси (1) корпуса (11), и вторым продолжением, в котором рычаг (15) пилы расположен в направлении от продольной оси корпуса (11), бесконечную цепь (24), снабженную режущими элементами (25) и окружающую рычаг (15) пилы, и приводное средство, заставляющее цепь (24) обегать вокруг рычага (15) пилы, отличающееся тем, что приводное средство содержит гидравлический двигатель (27), подвижно установленный внутри корпуса с возможностью в ответ на прилагаемое к нему гидравлическое давление перемещаться вдоль корпуса (11) вместе с поворачивающим механизмом (17), заставляя тем самым рычаг (15) пилы поворачиваться во второе положение, и имеется пружинный механизм (62, 64), заставляющий рычаг (15) пилы поворачиваться обратно в первое положение при отсутствии гидравлического давления на двигатель (27). 2. Режущее устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве двигателя (27) использован гидравлический, поршневой двигатель, расположенный в корпусе (11) по существу соосно продольной оси (1) корпуса. 3. Режущее устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что поворачивающий механизм (17) содержит цилиндрическое прямозубое колесо (40), прикрепленное к поддерживаемому концу рычага (15) пилы, и поршневой узел (35), несущий на себе двигатель (27) и зубчатую рейку (37), зубья которой взаимодействуют с цилиндрическим прямозубым колесом (40).