СКВАЖИННЫЙ ПРОБОЙНИК ДЛЯ ТРУБ Российский патент 2003 года по МПК E21B43/11 

Изобретение относится к строительству и ремонту нефтяных, газовых и других скважин и может использоваться для сообщения полости обсадной трубы в скважине с окружающей средой для получения притока продукции пласта, закачки различных жидкостей и растворов при воздействии на призабойную зону, при проведении изоляционных и прочих работ в тех случаях, когда для указанных целей необходимо пробить множество отверстий в стенке обсадной колонны на участке, имеющем значительную протяженность.

Широко известны и находят всеобщее применение скважинные перфораторы многозарядного исполнения, использующие энергию взрывчатого вещества (ВВ), которые залповым выстрелом пробивают за один спуск устройства в скважину множество отверстий в стенке обсадной колонны или кумулятивными струями, или пулями, или разрывными снарядами ("торпедой"). Указанные перфораторы внутри скважины обычно транспортируются на гибком кабель-канате с помощью лебедки каротажной бригадой.

Недостатки таких устройств заключаются в том, что их сложно доставить в горизонтальные участки забоев скважин, кроме того, часть пуль не пробивает стенки обсадной колонны и падает на забой. Кумулятивные перфораторы обеспечивают получение более надежного сообщения, но при этом диаметры отверстий составляют по некоторым данным только около 5 мм, что не всегда достаточно. И наконец устройства, использующие ВВ, небезопасны для персонала и иногда приводят к нарушениям целостности обсадной колонны ударной волной взрывов.

Известны перфораторы, спускаемые в скважину на силовом электрическом кабеле-канате, содержащие сверло с электроприводом для вращения, подачи и отвода его из отверстия [1].

Их недостаток - сложность доставки инструмента на кабель-канате в горизонтальные участки забоев скважин.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по техническому исполнению и принципу действия является скважинный пробойник для труб, спускаемый в скважину на рабочей колонне, содержащий полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, образующий с цилиндром штоковую камеру, плунжер, установленный в цилиндре и связанный со штоком с помощью срезного элемента и образующий с цилиндром рабочую камеру, которая через отверстие в переводнике сообщается с пространством скважины через обратный клапан, выполненный в виде разрушаемой при взаимодействии с рабочей колонной заглушки [2].

Основной недостаток данного устройства - однократность действия, в результате чего за каждый его спуск в скважину можно получить практически не более 1-3 отверстий (определяется числом радиальных боковых каналов в его корпусе). Другой недостаток - для приведения его в действие путем разрушения заглушки под воздействием рабочей колонны устройство должно быть посажено на какой-нибудь упор в скважине. Кроме того, промысловая практика показала, что однократного воздействия его рабочего органа на пробиваемую трубу иногда недостаточно для получения необходимого отверстия в стенке трубы и по этой причине операцию по пробивке приходится выполнять повторно, для чего устройство требуется извлекать из скважины, собрать его с новыми заглушкой и штифтом и снова спускать в скважину.

Целью изобретения является пробивка множества отверстий в обсадной колонне за один спуск скважинного пробойника для труб на рабочей колонне, чтобы использовать его в качестве перфоратора для вскрытия протяженного интервала ствола скважины, притом в скважинах, где не имеется упора. Другая цель изобретения - обеспечение более надежного сообщения полости пробиваемой трубы с окружающей средой через отверстия путем многократного воздействия рабочего органа устройства на пробиваемые отверстия, т.е. обеспечение многократного внедрения рабочего органа в одно и то же отверстие в процессе пробивки.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочей использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости-энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и пространством скважины через дроссели, штоковая камера через отверстия в цилиндре сообщена с пространством скважины, плунжер выполнен со сквозным каналом, сообщающим рабочую и штоковую камеры, на котором установлен нормально открытый клапан, шток и плунжер соединены между собой жестко и подпружинены для обеспечения штоку положения, выдвинутого из корпуса и для обеспечения закрытия клапана. На канале плунжера шток снабжен поршнем для взаимодействия с жидкостью, содержащейся в корпусе, при выдвижении штока из него, а в переводнике установлен сообщающий рабочую камеру с пространством скважины нормально закрытый золотник, запорный элемент которого связан с поршнем гидравлического реле выдержки времени, причем последнее снабжено обратным клапаном, каналами и возвратной пружиной для обеспечения открывания золотника после выдержки некоторого заданного времени и ускоренного закрывания с возвратом реле в исходное состояние.

На фиг.1а изображен предложенный пробойник - продольный разрез от рабочей колонны до сечения I-I через плунжер; на фиг.1б - продолжение устройства от сечения I-I до нижнего конца; на фиг.2 - поперечное сечение А-А на фиг. 1а; на фиг.3 - поперечное сечение Б-Б фиг.1б.

Устройство пробойника следующее.

Пробойник опускается в скважину на рабочей колонне труб 1, которая через переводник 2 соединена с цилиндром 3. Полость рабочей колонны 1 через дроссель 4 имеет сообщение с пространством скважины, а через дроссель 5 сообщается с рабочей камерой 6 через каналы 7 в переводнике 2. В переводнике 2 установлен подпружиненный запорный элемент 8 золотника, который перекрывает сообщение рабочей камеры 6 с пространством скважины, выполненное через каналы 7, полости 9 золотника и окна 10 в переводнике 2. Запорный элемент 8 золотника через шток 11 связан с поршнем 12 гидравлического реле 13 выдержки времени, полость которого 14 заполнена жидкостью. В поршне 12 реле 13 имеется обратный клапан 15, перекрывающий канал 16, сообщающий полости реле 13. Другим каналом, сообщающим полости 9 золотника, является радиальный зазор между поршнем 12 и корпусом реле 13. Поршень 12 снабжен толкателем 17. В цилиндре 3 установлен плунжер (поршень) привода 18, снабженный уплотнительным элементом 19, который образует под плунжером 18 штоковую камеру 20.

Рабочая камера 6 со штоковой 20 сообщена через каналы 21 и 22 в плунжере 18. Канал 21 перекрыт клапаном 23, который стремится находится в нормально открытом состоянии под действием пружины 24, установленной под толкателем 25. Приводной плунжер 18 соединен со штоком 26 жестко и они подпружинены силовой пружиной 27, которая в нормальном (исходном) состоянии устройства должна обеспечивать выход штока 26 из полости корпуса 28, заполненной жидкостью. Шток 26 снабжен поршнем 29. Осевая полость корпуса 28 выполнена двухступенчатым сечением, т. е. в верхней части 30 имеет размер, обеспечивающий малый радиальный зазор для поршня 29.

В корпусе 28 выполнен боковой канал 31, где размещены силовой поршень 32 с рабочим органом 33 - колющим наконечником. Боковой канал 31 и полость корпуса 28 сообщены каналом 34. Штоковая камера 20 свободно сообщается с пространством скважины через отверстия 35 в цилиндре.

Работа пробойника.

Во время спуска устройства в скважину его элементы находятся в положении, изображенном на фиг.1а и б, т.к. силовая пружина 27 развивает в несколько раз большую силу, чем пружина 24 клапана 23, поэтому последний закрыт, т. к. он прижат к торцу реле 13. Запорный элемент 8 золотника находится в изображенном состоянии под действием своей пружины 36 и удерживается еще и под действием толкателя 17 реле 13, т.к. на толкатель 17 действует и сила пружины 27, передаваемая через клапан 23. Во время погружения устройства под уровень жидкости в скважине сообщение полости рабочей колонны 1 с пространством скважины происходит через отверстие 4, а детали пробойника находятся в равновесии в описанном (изображенном) состоянии, т.к. все его проточные полости, каналы (кроме постоянно закрытых полостей корпуса 18 и реле 13) свободно сообщаются с окружающей средой - пространством скважины через каналы, полости и отверстия 4, 5, 7, 6, 9, 10, а так же через отверстие 35, штоковую камеру 20, каналы 21 и 22. После достижения пробиваемого интервала устройство останавливается и в рабочую колонну труб 1 закачивается силовая жидкость, часть которой вытекает через дроссель 4 в пространство скважины, а другая часть поступает через дроссель 5 в пробойник, а далее через канал 7 поступает в рабочую камеру 6 и действует на закрытый клапан 23 и на плунжер (поршень) привода 18, перемещает его вместе со штоком 26, отжимая пружину 27, в результате чего силовой поршень 32 с рабочим наконечником 33 вытесняются из корпуса 28 и наконечник внедряется в стенку скважины частично или полностью. Поскольку из-за сопротивления наконечника 33 внедрению и силы, необходимой для сжатия силовой пружины 27, описанный рабочий ход происходит при избыточном давлении в рабочей камере 6, которое на 60-140 атм превышает давление окружающей среды (по результатам экспериментов), запорный элемент 8 золотника так же нагружается этим перепадом, т.к. его противоположный торец через окна 10 сообщается со скважиной. Однако из-за сопротивления поршня 12 реле 13, наполненного маслом, связанный с реле 13 штоком 11 запорный элемент 8 золотника перемещается вниз медленно (за 4-8 с). При этом жидкость из под поршня 12 реле перетекает вверх через радиальный зазор между поршнем 12 и реле 13. В момент выхода поршня 12 реле 13 в расточенный участок 37 корпуса запорный элемент 8 золотника резко сообщает полость рабочей камеры 6 с пространством скважины через окна 10, полость 9 и каналы 7. В этот момент исчезает перепад давления на плунжер (поршень) 18 привода и на его клапан 23, поэтому вся сборка - поршень 18, клапан 23, шток 26 с тормозным поршнем 29 - подбрасывается резко вверх под действием силы сжатия пружины 27. В момент входа поршня 29 штока 26 в суженную часть 30 в полости корпуса 28 происходит резкое торможение системы "шток 26 - плунжер 18 - клапан 23". Сила инерции, связанная с указанным торможением, и сила пружины 24 клапана отрывают его от плунжера 18 (поршня), т.к. в указанный момент отсутствует перепад давления на них, т.к. и рабочая камера 6, и штоковая 20 сообщены с пространством скважины.

Далее происходит замедленное перемещение всей системы штока 26 вверх под действием пружины 27 - указанное замедление обеспечивается демпфирующим действием поршня 29, взаимодействующего с жидкостью корпуса 28. За это время жидкость из рабочей камеры 6 вытесняется вниз через каналы 21, 22 в штоковую камеру 20, далее через отверстие 35 - в скважину. В указанном движении жидкости участвует и силовая жидкость, которая продолжает поступать в рабочую камеру 6 через дроссель 5. Размер дросселя 5 выбирают таким, чтобы общий поток не смог закрыть клапан 23 (около 700-1700 см³/с). В период времени, когда клапан 23 открытый, запорный элемент золотника 8, снова занимает исходное (закрытое положение), при этом он преодолевает незначительное избыточное давление под дросселем 5 (и в камере 6), вызванное гидравлическими сопротивлениями в каналах устройства. Соответственно выбирается и сила пружины 36 реле, и параметры обратного клапана 15 в поршне 12 реле 13. Заметим, что возврату реле 13 в исходное (нарисованное) положение способствует и силовая пружина 27, которая прижимает клапан 23 с плунжером 18 к корпусу 13 реле и через толкатель 17 действует на подвижную систему "золотник 8 - реле 13". Обратный вход в корпус поршня 32 с рабочим органом 33 происходит под действием избыточного давления в пространстве скважины (в окружающей среде), так как шток 26, выталкиваемый из полости корпуса 28 силовой пружины 27, создает в полости корпуса 28 пониженное давление. После прижатия клапана 23 к плунжеру 18 он закрывается. И при этом в рабочей камере 6 повышается давление и весь рабочий процесс внедрения наконечника - рабочего органа 33 в стенку скважины повторяется с частотой около 4-12 операций в минуту (по результатам расчетов). Таким образом, за время остановки пробойника на одном месте получается одно отверстие в результате нескольких внедрений наконечника в одно место, что способствует образованию трещин и крошению цементного кольца за пробиваемой обсадной трубой. Для перехода к пробивке другого отверстия прокачку силовой жидкости через рабочую колонну 1 и дроссели 4 и 5 прекращают. После прекращения прокачки силовой жидкости давления в скважинном пространстве, в рабочей камере 6 и штоковой камере 20 выравниваются и пробойник немедленно занимает исходное, изображенное на фиг.1а и б, положение под действием силовой пружины 27 несмотря на то, в какой фазе цикла действия была прекращена подача жидкости к устройству. Далее колонна рабочей трубы с пробойником перемещается на другую глубину или поворачивается на месте или эти два движения выполняются вместе. Контроль за работой устройства ведется по циклам скачка давлений на устье скважины, т.к. в период открытого золотника 8 давление на устье снижается.

По вопросу о соответствии предложенного устройства критерию "изобретательский уровень" сообщаем следующее.

Несмотря на то, что авторы более чем четверть века интенсивно работают над разработками пробойников различного типа и назначения, а так же новых технологий, основанных на их использовании (наше первое А. С. 673724 относится к 1975 г.), - им не известны устройства, аналогичные описанному в настоящей заявке, в частности пробойники непрерывного действия, как предложенный. Как известно, в последние годы широкое развитие получает разработка и доразработка нефтяных и газовых месторождений с помощью проходки в пласте горизонтальных участков скважин, которые имеют при этом протяженность горизонтального забоя в сотни метров. Нередко эти "горизонтальные" скважины имеют даже восходящие участки. Как правило, они выполняются с использованием новейших технологий, например, основанных на применении гибких колонн труб, сворачиваемых на устье в рулоны (Колтюбинговых агрегатов). На такие участки забоя трудно доставить традиционные перфораторные устройства, спускаемые на кабель-канате. В связи с этими обстоятельствами авторам представляется весьма перспективным использование описанного устройства и при заканчивании скважин с применением гибких колонн труб, в том числе с созданием циркуляции с помощью газообразного азота, когда вскрытие пласта производится с обеспечением (поддержанием) необходимой депрессии на призабойную зону. Важно отметить, что авторы не противопоставляют описанный инструмент традиционным перфораторам, т.к. чем богаче арсенал технических средств, тем успешнее решение тех или иных технологических проблем. Тем не менее, здесь считаем возможным указать, что согласно нашим проработкам уже сегодня для обсадных труб 168•10 мм и более можно разработать пробойники описанной конструкции и развивающие на наконечнике до 50-70 тонн. Простейшие расчеты показывают, что работа воздействия инструмента при таких показателях даже за одно внедрение превышает кинетическую энергию пули калибра 12,7 мм (0,5 дюйма) скважинного перфоратора. Принимая во внимание, что предложенный пробойник пробивает каждое отверстие путем нескольких внедрений своего рабочего наконечника, можно ожидать высокую эффективность патентуемого заявляемого устройства в ряде условий его использования. В настоящее время предложенный (непрерывного действия) пробойник разработан авторами для труб 89•6,5, в т.ч. высоких групп прочности (конкретные цифры по некоторым параметрам устройства, приведенные по ходу описания, относятся именно к пробойнику указанного размера). Опыт разработки, изготовления и эксплуатации пробойников "разового" действия для труб 48•4,0-114•7,0 (различного типа и принципа привода) дает основания ожидать, что нет принципиальных трудностей и при разработке предложенных пробойников для труб 73•5,5, а в последующем после уточнения некоторых вопросов "ноу-хау" и для труб 60•5,0 (при необходимости).

Источники информации
1. Сверлящий перфоратор типа "ППС 112-60", НПП "Азимут" при Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

2. Патент РФ 2057894.

3. Патент РФ 673724.

Изобретение относится к строительству и ремонту нефтяных, газовых и других скважин и может использоваться для сообщения полости обсадной трубы в скважине с окружающей средой для получения притока продукции пласта, закачки различных жидкостей при воздействии на прибойную зону и проведения изоляционных работ, когда необходимо пробить множество отверстий в стенке обсадной колонны. Обеспечивает возможность пробивки множества отверстий в обсадной колонне за один спуск протяженного интервала ствола скважины. Сущность изобретения: устройство спускают в скважину на рабочей колонне. Оно содержит полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса. В боковом канале корпуса установлен поршень с рабочим органом. С корпусом жестко связан полый цилиндр. В полостях корпуса и цилиндра установлен шток с возможностью осевого перемещения, со штоком связан полый плунжер. Он установлен в полости цилиндра и образует с ним штоковую и рабочую камеры. Переводник жестко связан с цилиндром. В качестве рабочей использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости - энергоносителя от насоса. Ее полость гидравлически связана с рабочей камерой и пространством скважины через дроссели. Штоковая камера через отверстия в цилиндре сообщена с пространством скважины. Плунжер выполнен со сквозным каналом, сообщающим рабочую и штоковую камеры. На плунжере установлен нормально открытый клапан. Шток и плунжер соединены между собой жестко и подпружинены для обеспечения штоку положения, выдвинутого из корпуса, и для обеспечения закрытия клапана на канале плунжера. Шток снабжен поршнем для взаимодействия с жидкостью, содержащейся в корпусе, при выдвижении штока из него. В переводнике установлен нормально закрытый золотник. Он сообщает рабочую камеру с пространством скважины. Запорный элемент золотника связан с поршнем гидравлического реле выдержки времени. Реле снабжено обратным клапаном, каналами и возвратной пружиной для обеспечения открывания золотника после выдержки некоторого заданного времени и ускоренного закрытия с возвратом реле в исходное состояние. 4 ил.

Скважинный пробойник для труб и спуска в скважину на рабочей колонне, содержащий полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале корпуса поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, связанный со штоком полый плунжер, установленный в полости цилиндра и образующий с ним штоковую и рабочую камеры, переводник, жестко связанный с цилиндром, отличающийся тем, что в качестве рабочей использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости - энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и пространством скважины через дроссели, штоковая камера через отверстия в цилиндре сообщена с пространством скважины, плунжер выполнен со сквозным каналом, сообщающим рабочую и штоковую камеры, на котором установлен нормально открытый клапан, шток и плунжер соединены между собой жестко и подпружинены для обеспечения штоку положения, выдвинутого из корпуса и для обеспечения закрытия клапана на канале плунжера, шток снабжен поршнем для взаимодействия с жидкостью, содержащейся в корпусе, при выдвижении штока из него, а в переводнике установлен сообщающий рабочую камеру с пространством скважины нормально закрытый золотник, запорный элемент которого связан с поршнем гидравлического реле выдержки времени, причем последнее снабжено обратным клапаном, каналами и возвратной пружиной для обеспечения открывания золотника после выдержки некоторого заданного времени и ускоренного закрытия с возвратом реле в исходное состояние.