УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРФОРАЦИИ ОБСАЖЕННОЙ СКВАЖИНЫ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 года по МПК E21B43/114 

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности к оборудованию для вскрытия продуктивных пластов путем вырезки перфорационных окон в стенках обсадной колонны скважины и создания перфорационных каналов большой протяженности в породе продуктивного пласта.

Известно устройство для перфорации обсаженной скважины, включающее корпус, в котором размещены: механизм вырезки окна в обсадной колонне, гибкий рукав с гидромониторным соплом, с механизмом его выдвижения, отклонитель гибкого рукава и гидравлическую систему управления устройством.

Механизм вырезки окна в обсадной колонне размещен в нижней части корпуса, выполнен в виде гидроперфоратора с насадками, расположенными на корпусе.

Механизм выдвижения гибкого рукава, размещенного в отклонителе корпуса, выполнен в виде гидроцилиндра с полым штоком, размещенного в полости корпуса устройства, на поверхности которого установлен с возможностью осевого перемещения относительно корпуса регулятор движения гибкого рукава в виде подпружиненного дифференциального поршня.

В качестве рабочей жидкости для работы устройства используется жидкость с абразивом (см. а.с. СССР № 883350, кл. Е 21 В 43/114, от 1978).

Недостатком известного устройства является малый срок службы из-за наличия абразива в рабочей жидкости, участвующей во всех операциях технологического процесса, в результате происходит интенсивный износ элементов устройства.

Существенным недостатком известного устройства также является сложность управления технологическими операциями при проведении перфорационных работ, поскольку на поверхности отсутствует сигнал об окончании вырезки окна в обсадной колонне, и, как следствие, гибкий рукав с гидромониторным соплом не во всех случаях попадает в вырезанное окно. Нет сигнала и о том, где находится гибкий рукав в процессе эксплуатации устройства. Все это не обеспечивает качество проведения перфорационных работ в скважине и осложняет дальнейшие работы.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство для перфорации обсаженной скважины, включающее спускаемый на трубах в обсадную колонну корпус, в котором размещены механизм вырезки окна в обсадной колонне с приводом вращения режущего инструмента и узлом его подачи, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, привод выдвижения гибкого рукава через вырезанное окно за пределы обсадной колонны, а также линии подачи рабочей жидкости от насосного агрегата и гидравлическую систему управления функциональными механизмами устройства (см. патент РФ № 2137915, кл. Е 21 В 43/114, от 1998).

Режущий инструмент выполнен в виде концевой фрезы (сверла), хвостовик которой механически связан с приводным валом гидродвигателя, приводящим во вращение режущий инструмент.

Механизм выдвижения гибкого рукава с гидромониторным соплом содержит размещенный в корпусе устройства гидроцилиндр с поршнем и штоком, на нижнем конце которого закреплен верхний конец гибкого рукава. Гидроцилиндр обеспечивает возвратно-поступательное перемещение гибкого рукава с гидромониторным соплом в канале отклонителя.

В корпусе устройства также размещены гидроцилиндр механизма осевого перемещения корпуса устройства, гидроцилиндр стопорения устройства в скважине и гидроцилиндр распорного механизма.

Для обеспечения управлением каждым функциональным механизмом устройства (механизмом вырезки окна; механизмом осевого перемещения; механизмом выдвижения гибкого рукава) гидравлическая система управления снабжена подпружиненными золотниками. При этом все гидроцилиндры и гидродвигатель в устройстве гидравлически взаимосвязаны, а пружины золотников строго взаимно тарированы для обеспечения автоматической и автономной работы каждого функционального механизма.

Недостатком известного устройства является сложность конструкции из-за наличия автономных функциональных механизмов с автономными системами их управления. А поскольку приводы этих механизмов вместе с корпусом устройства расположены в скважине, то сам процесс управления технологическими операциями проведения перфорационных работ очень сложен, из-за чего снижается эксплуатационная надежность всего устройства в целом.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение эксплуатационной надежности устройства за счет упрощения конструкции и упрощения управлением технологическими операциями при проведении перфорационных работ в обсаженной скважине путем размещения привода функциональных механизмов устройства на дневной поверхности.

Поставленная техническая задача решается благодаря тому, что в известном устройстве для перфорации обсаженной скважины, включающем закрепленный на колонне насосно-компрессорных труб корпус, механизм вырезки окна в обсадной колонне с режущим инструментом, приводом его вращения и узлом его подачи, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава, а также привод выдвижения гибкого рукава и линию подачи рабочей жидкости от насосного агрегата, новым по первому варианту выполнения устройства является то, что привод выдвижения гибкого рукава установлен на дневной поверхности и содержит двигатель возвратно-поступательного перемещения, приводной элемент которого связан с верхним концом гибкого рукава посредством механической связи, выполненной в виде трубы с наконечником на нижнем конце, узел подачи режущего инструмента выполнен в виде штанги, на одном конце которой установлено с возможностью взаимодействия с наконечником указанной трубы сцепное устройство, а другой конец штанги связан с приводом вращения режущего инструмента, при этом линии подачи рабочей жидкости от насосного агрегата для обеспечения вращения режущего инструмента и на гидромониторное сопло гибкого рукава выполнены автономными.

По второму варианту новым в устройстве является то, что привод выдвижения гибкого рукава установлен на дневной поверхности и содержит двигатель возвратно-поступательного перемещения, приводной элемент которого связан с верхним концом гибкого рукава посредством механической связи, выполненной в виде стержня с наконечником на нижнем конце и связанного с ним полого плунжера, который соединен с верхним концом гибкого рукава, при этом в корпусе устройства выполнена связанная с отклонителем гибкого рукава цилиндрическая полость для герметичного размещения в ней полого плунжера механической связи, узел подачи режущего инструмента выполнен в виде штанги, на одном конце которой установлено с возможностью взаимодействия с наконечником указанного стержня сцепное устройство, а другой конец штанги связан с приводом вращения режущего инструмента, линия подачи рабочей жидкости от насосного агрегата на гидромониторное сопло гибкого рукава выполнена в виде полости колонны насосно-компрессорных труб, гидравлически связанной через полый плунжер с гибким рукавом, а линия подачи рабочей жидкости от насосного агрегата для обеспечения вращения режущего инструмента выполнена в виде полости колонны насосно-компрессорных труб, гидравлически связанной с гидродвигателем, и снабжена запорным клапаном.

Сцепное устройство может быть выполнено в виде цанги.

Привод вращения режущего инструмента выполнен в виде гидродвигателя, приводной вал которого связан с режущим инструментом посредством гибкого вала.

Конец штанги узла подачи режущего инструмента связан в приводе вращения режущего инструмента либо с корпусом гидродвигателя, либо с его приводным валом.

Линия подачи рабочей жидкости для вращения режущего инструмента выполнена в корпусе в виде канала, гидравлически связывающего полость колонны насосно-компрессорных труб с гидродвигателем.

Благодаря конструктивному выполнению механизма выдвижения гибкого рукава с гидромониторным соплом, а именно удлинению механической связи между верхним концом гибкого рукава и приводным элементом двигателя возвратно-поступательного перемещения, появилась возможность вынести привод выдвижения гибкого рукава из скважины на дневную поверхность, тем самым значительно упростить управление этим механизмом и повысить эксплуатационную надежность устройства.

Благодаря тому что предложено связать механизм вырезки окна с механизмом выдвижения гибкого рукава механически – посредством штанги со сцепным устройством, периодически находящимся в зацеплении с механической связью механизма выдвижения гибкого рукава, появилась возможность осуществлять работу механизма вырезки окна от привода выдвижения гибкого рукава, что существенно упрощает как конструкцию устройства, так и управление функциональными механизмами устройства, повышает эксплуатационную надежность устройства в целом.

Предложенное конструктивное выполнение линии подачи рабочей жидкости в устройстве обеспечивает надежную работу всех функциональных механизмов устройства.

Таким образом, предложенная совокупность конструктивных признаков в заявляемом устройстве позволяет решить поставленную техническую задачу.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 дан схематично продольный разрез заявляемого устройства (первый вариант); на фиг.2 - то же (второй вариант).

Устройство для перфорации обсаженной скважины содержит цилиндрический корпус 1, подвешенный на насосно-компрессорных трубах (НКТ) 2 и закрепленный в колонне обсадных труб 3 с помощью якоря 4.

В корпусе 1 устройства выполнен отклонитель 5 - поворотно-направляющий канал гибкого рукава 6 с гидромониторным соплом 7 на нижнем конце. Верхний конец гибкого рукава связан механически с приводом 8 выдвижения гибкого рукава 6.

Привод 8 выдвижения гибкого рукава 6 состоит из двигателя возвратно-поступательного перемещения, в качестве которого может быть выбран гидроцилиндр 9 с поршнем 10 и штоком 11, насоса 12 с регулируемым расходом жидкости для работы гидроцилиндра 9 в требуемом режиме и сливного клапана 13. (Вместо гидроцилиндра может быть использован станок-качалка, лебедка, реечная, винтовая передача и т.п.). Привод 8 размещен на дневной поверхности на устье скважины.

Механическая связь верхнего конца гибкого рукава 6 с размещенным на устье скважины приводом 8 выполнена по первому варианту (фиг.1) в виде длинной трубы 14 с наконечником 15 на нижнем конце. (В качестве длинной трубы может быть взята кольтюбинговая труба, колонна труб.) Труба 14 верхним концом жестко связана со штоком 11 гидроцилиндра 9 привода 8.

В нижней части корпуса 1 размещен привод вращения режущего инструмента 16 механизма вырезки окна в обсадной колонне 3 с режущим инструментом 16 в виде концевой фрезы (или сверла). Режущий инструмент 16 жестко закреплен на гибком валу 17, который шпинделем связан с приводным валом 18 гидродвигателя 19, приводящего во вращение режущий инструмент 16. Для направления гибкого вала 17 и режущего инструмента 16 в корпусе 1 выполнен канал 20.

Узел подачи режущего инструмента 16 выполнен в виде штанги 21, жестко связанной нижним концом с приводом вращения режущего инструмента 16: либо с приводным валом 18, либо с корпусом гидродвигателя 19. В случае, когда нижний конец штанги 21 связан с приводным валом 18, последний выполнен телескопическим. На верхнем конце штанги 21 закреплено сцепное устройство, выполненное, например, в виде цанги 22. Сцепное устройство установлено с возможностью периодического взаимодействия с наконечником 15, установленным на нижнем конце трубы 14. Благодаря такой механической связи роль привода подачи режущего инструмента 16 выполняет расположенный на устье скважины привод 8 выдвижения гибкого рукава 6.

В корпусе 1 устройства выполнен канал 23, который гидравлически связывает полость 24 колонны НКТ 2 с гидродвигателем 19 для обеспечения его работы.

Для подачи рабочей жидкости либо к гидродвигателю 19, либо к гидромониторному соплу 7 на дневной поверхности установлен насосный агрегат 25, который через задвижки 26 и 27 осуществляет подачу рабочей жидкости по автономным линиям, а именно: задвижка 26 - полость 24 колонны НКТ 2 - канал 23 - гидродвигатель 19; задвижка 27 - полость трубы 14 - гибкий рукав 6 - гидромониторное сопло 7. Для работы механизмов устройства рабочая жидкость по линиям подачи подается разного давления.

Для возврата режущего инструмента 16 в исходное положение после вырезания окна предусмотрена пружина 28, установленная на приводном валу 18 гидродвигателя 19.

По второму варианту (фиг.2) механическая связь верхнего конца гибкого рукава 6 с расположенным на устье скважины приводом 8 выполнена в виде длинного стержня 29 с наконечником 15 на нижнем конце. (В качестве стержня может быть использован трос, проволока, колонна насосных штанг и т.п.) Стержень 29 верхним концом жестко связан со штоком 11 гидроцилиндра 9 привода 8 выдвижения гибкого рукава 6. При этом верхний конец гибкого рукава 6 связан с нижним концом стержня 29 посредством полого плунжера 30, который герметично размещается в выполненной в верхней части корпуса 1 цилиндрической полости 31. При этом плунжер 30 гидравлически связан с полостью 24 колонны НКТ 2 посредством отверстия 32 в верхней части плунжера 30.

Подача рабочей жидкости в устройстве по второму варианту осуществляется от насосного агрегата 25 с дневной поверхности только по полости 24 колонны НКТ 2, а именно: напорная линия насоса 25 - полость 24 НКТ 2 - канал 23 - гидродвигатель 19; напорная линия насоса 25 - полость 24 НКТ 2 - отверстие 32 в плунжере 30 - гибкий рукав 6 - гидромониторное сопло 7.

При создании повышенного давления в линии подачи рабочей жидкости на гидромониторное сопло 7 канал 23 для подачи рабочей жидкости низкого давления на гидродвигатель 19 перекрывается запорным клапаном 33.

В качестве рабочей жидкости может быть использована обычная техническая вода.

Устройство для перфорации обсаженной скважины работает следующим образом.

Корпус 1 устройства вместе с гидродвигателем 19 на НКТ 2 опускают в скважину и ставят на якорь 4 в зоне предполагаемой перфорации. Затем на длинной трубе 14 (например, кольтюбинговой трубе, колонне труб) опускают гибкий рукав 6 вместе с гидромониторным соплом 7. В конце хода трубы 14 наконечник 15 на ее конце входит в цангу 22 сцепного устройства, при этом гидромониторное сопло 7 находится на входе направляющего канала-отклонителя 5 либо несколько не доходит до него. После этого трубу 14 соединяют с насосным агрегатом 25 и закрепляют жестко на штоке 11 гидроцилиндра 9.

Насосным агрегатом 25 через задвижку 26 подают рабочую жидкость низкого давления по линии подачи: полость 24 колонны НКТ 2 - канал 23 - гидродвигатель - 19, который приводным валом 18 начинает вращать гибкий вал 17 и режущий инструмент 16.

Насосом 12 подают жидкость в гидроцилиндр 9 под поршень 10; поршень 10 поднимается вверх вместе со штоком 11с заданной скоростью. Вместе со штоком 11 поднимаются вверх длинная труба 14 с наконечником 15, находящаяся в зацеплении с ним цанга 22 сцепного устройства и штанга 21, которая перемещает вверх либо весь гидродвигатель 19, либо подвижную часть приводного вала 18 привода вращения механизма вырезки окна, сжимая при этом пружину 28. В результате осуществляется через гибкий вал 17 продольная подача режущего инструмента 16 и происходит вырезание окна в стенке обсадной трубы 3.

Через промежуток времени, необходимый для вырезки окна, вентилем 13 сливают жидкость из-под поршня гидроцилиндра 9, и труба 14 под собственным весом опускается вниз, а под действием пружины 28 режущий инструмент 16 возвращается в канале 20 в исходное положение, опуская вниз штангу 21 с цангой 22. При дальнейшем опускании штока 11 вместе с трубой 14 гибкий рукав 6 продвигается по каналу-отклонителю 5 и попадает в прорезанное в обсадной колонне 3 окно.

После этого насосным агрегатом 25 через задвижку 27 подают рабочую жидкость при повышенном давлении по линии: труба 14 - гибкий рукав 6 - гидромониторное сопло 7. Струя рабочей жидкости под большим давлением (порядка 500 атм) размывает породу за колонной обсадных труб 3, и по мере размывания перфорационного канала гибкий рукав 6 продвигают перемещением жесткой трубы 14, образуя тем самым глубокий перфорационный канал.

По окончании образования первого перфорационного канала насосом 12 вновь подают жидкость в гидроцилиндр 9 под поршень 10, поднимают трубу 14 с гибким рукавом 6 и гидромониторным соплом 7 в исходное положение. Не расцепляя сцепное устройство (цанга 22 - наконечник 15), снимают корпус 1 с якоря 4, устанавливают корпус 1 для перфорации следующего канала, вновь стопорят корпус 1 якорем 4 и описанным выше способом образуют следующие перфорационные каналы. После окончания перфорации трубу 14 поднимают на поверхность; при этом наконечник 15 выводят из зацепления с цангой 22 приложением большего усилия, чем усилие подачи.

Работа устройства по второму варианту идентична работе по первому варианту. Разница заключается в том, что после прорезания окна в обсадной колонне 3 длинный стержень 29, опускаясь вниз, плунжером 30 герметично входит в цилиндрическую полость 31 и перекрывает доступ рабочей жидкости высокого давления между гибким рукавом 6 и стенкой направляющего канала 5, благодаря чему формируется линия подачи рабочей жидкости высокого давления на гидромониторное сопло 7: полость 24 НКТ 2 - отверстие 32 в плунжере 30 - гибкий рукав 6 - гидромониторное сопло 7. После этого повышают давление рабочей жидкости в насосном агрегате 25, при этом канал 23 перекрывается клапаном 33, который, преодолевая усилие поддерживающей пружины, опускается вниз, тем самым прекращается доступ рабочей жидкости к гидродвигателю 19 при проведении операции по размыванию перфорационного канала под высоким давлением, предохраняя гидродвигатель 19 от разрушения.

Технико-экономическое преимущество изобретения заключается в следующем. Использование предлагаемого устройства позволяет значительно повысить эксплуатационную надежность устройства за счет упрощения конструкции и упрощения управления технологическими операциями при проведении перфорационных работ в обсаженной скважине, что повышает качество проведения таких работ, снижает трудоемкость работ.

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, в частности к оборудованию для вскрытия продуктивных пластов. Обеспечивает повышение эксплуатационной надежности устройства. Сущность изобретения: устройство включает закрепленный на колонне насосно-компрессорных труб корпус, механизм вырезки окна в обсадной колонне с режущим инструментом, приводом его вращения и узлом его подачи, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава, а также привод выдвижения гибкого рукава и линию подачи рабочей жидкости от насосного агрегата. Привод выдвижения гибкого рукава установлен на дневной поверхности. Он содержит двигатель возвратно-поступательного перемещения. Его приводной элемент связан с верхним концом гибкого рукава посредством механической связи. Эта связь выполнена в виде трубы с наконечником на нижнем конце. Узел подачи режущего инструмента выполнен в виде штанги. На одном ее конце установлено с возможностью взаимодействия с наконечником указанной трубы сцепное устройство. Другой конец штанги связан с приводом вращения режущего инструмента. Линии подачи рабочей жидкости от насосного агрегата для обеспечения вращения режущего инструмента и на гидромониторное сопло гибкого рукава выполнены автономными. В другом варианте исполнения: механическая связь между приводным элементом двигателя и верхним концом гибкого рукава выполнена в виде стержня с наконечником на нижнем конце и связанного с ним полого плунжера, который соединен с верхним концом гибкого рукава, при этом в корпусе устройства выполнена связанная с отклонителем гибкого рукава цилиндрическая полость для герметичного размещения в ней полого плунжера механической связи. Линия подачи рабочей жидкости от насосного агрегата на гидромониторное сопло гибкого рукава выполнена в виде полости колонны насосно-компрессорных труб, гидравлически связанной через полый плунжер с гибким рукавом. Линия подачи рабочей жидкости от насосного агрегата для обеспечения вращения режущего инструмента выполнена в виде полости колонны насосно-компрессорных труб, гидравлически связанной с гидродвигателем, и снабжена запорным клапаном. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для перфорации обсаженной скважины, включающее закрепленный на колонне насосно-компрессорных труб корпус, механизм вырезки окна в обсадной колонне с режущим инструментом, приводом его вращения и узлом его подачи, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава, а также привод выдвижения гибкого рукава и линию подачи рабочей жидкости от насосного агрегата, отличающееся тем, что привод выдвижения гибкого рукава установлен на дневной поверхности и содержит двигатель возвратно-поступательного перемещения, приводной элемент которого связан с верхним концом гибкого рукава посредством механической связи, выполненной в виде трубы с наконечником на нижнем конце, узел подачи режущего инструмента выполнен в виде штанги, на одном конце которой установлено с возможностью взаимодействия с наконечником указанной трубы сцепное устройство, а другой конец штанги связан с приводом вращения режущего инструмента, при этом линии подачи рабочей жидкости от насосного агрегата для обеспечения вращения режущего инструмента и на гидромониторное сопло гибкого рукава выполнены автономными.2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сцепное устройство выполнено в виде цанги.3. Устройство по любому из пп. 1 и 2, отличающееся тем, что привод вращения режущего инструмента выполнен в виде гидродвигателя, приводной вал которого связан с режущим инструментом посредством гибкого вала.4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что конец штанги связан в приводе вращения режущего инструмента либо с корпусом гидродвигателя, либо с его приводным валом.5. Устройство по любому из пп. 1-4, отличающееся тем, что линия подачи рабочей жидкости для вращения режущего инструмента выполнена в корпусе в виде канала, гидравлически связывающего полость колонны насосно-компрессорных труб с гидродвигателем.6. Устройство для перфорации обсаженной скважины, включающее закрепленный на колонне насосно-компрессорных труб корпус, механизм вырезки окна в обсадной колонне с режущим инструментом, приводом его вращения и узлом его подачи, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава, а также привод выдвижения гибкого рукава и линию подачи рабочей жидкости, отличающееся тем, что привод выдвижения гибкого рукава установлен на дневной поверхности и содержит двигатель возвратно-поступательного перемещения, приводной элемент которого связан с верхним концом гибкого рукава посредством механической связи, выполненной в виде стержня с наконечником на нижнем конце и связанного с ним полого плунжера, который соединен с верхним концом гибкого рукава, при этом в корпусе устройства выполнена связанная с отклонителем гибкого рукава цилиндрическая полость для герметичного размещения в ней полого плунжера механической связи, узел подачи режущего инструмента выполнен в виде штанги, на одном конце которой установлено с возможностью взаимодействия с наконечником указанного стержня сцепное устройство, а другой конец штанги связан с приводом вращения режущего инструмента, линия подачи рабочей жидкости от насосного агрегата на гидромониторное сопло гибкого рукава выполнена в виде полости колонны насосно-компрессорных труб, гидравлически связанной через полый плунжер с гибким рукавом, а линия подачи рабочей жидкости от насосного агрегата для обеспечения вращения режущего инструмента выполнена в виде полости колонны насосно-компрессорных труб, гидравлически связанной с гидродвигателем, и снабжена запорным клапаном.7. Устройство по п. 6, отличающееся тем, что сцепное устройство выполнено в виде цанги.8. Устройство по любому из пп. 6 и 7, отличающееся тем, что привод вращения режущего инструмента выполнен в виде гидродвигателя, приводной вал которого связан с режущим инструментом посредством гибкого вала.9. Устройство по любому из пп. 6-8, отличающееся тем, что конец штанги связан в приводе вращения режущего инструмента либо с корпусом гидродвигателя, либо с его приводным валом.10. Устройство по любому из пп. 6-9, отличающееся тем, что линия подачи рабочей жидкости для вращения режущего инструмента выполнена в корпусе в виде канала, гидравлически связывающего полость колонны насосно-компрессорных труб с гидродвигателем.