УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЩЕЛЕВОЙ ПЕРФОРАЦИИ ОБСАЖЕННЫХ СКВАЖИН Российский патент 2004 года по МПК E21B43/112 

Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано для создания перфорационных щелей в обсадных колоннах, цементном камне и горной породе при вторичном вскрытии продуктивных горизонтов в обсаженных скважинах.

Известно устройство для создания перфорационных каналов путем прорезания продольных щелей выдвижным накатным диском, ось которого получает движение от нагрузки гидропривода через систему кулис и консоли, а гидромониторная насадка ориентирована на рабочую зону накатного ролика, патент РФ 2039220, Е 21 В 43/114 БИ 19, 1995.

Недостатком указанной конструкции перфоратора является быстрое изнашивание трущихся поверхностей деталей и сложность их замены, а также большая вероятность попадания шлама внутрь устройства и засорения гидромониторной насадки.

Наиболее близким по технической сути к заявленному изобретению является “Устройство для щелевой перфорации обсаженных скважин” по патенту РФ №2161697, 7 Е 21 В 43/114 от 07.04.99. БИ ПМ №1, 2001, который принят за прототип.

Устройство содержит корпус, гидроцилиндр, подпружиненный полый шток с поршнем, выдвижной режущий диск на оси, гидромониторную насадку и опорные ролики. На основании открытого паза корпуса смонтирована опорная пластина, с которой контактирует клин, выполненный в виде вилкообразного ползуна. Клин охватывают боковые пластины с пазами. Ось выдвижного режущего диска кинематически связана через клин с полым штоком гидроцилиндра и обеспечивает контакт и вдавливание режущего диска в стенку обсадной колонны, одновременно отодвигая устройство в противоположную сторону до касания опорными роликами обсадной колонны.

Недостатком вышеназванной конструкции является то, что гидромониторная насадка при таком размещении подвергается засорению шламом, а опорные ролики установлены так, что увеличивают габаритный диаметр устройства. Все усилия от гидроцилиндра передаются на ось - отсюда повышенный износ. Шаровой клапан постоянно держит канал перекрытым, что создает невозможность прямой промывки полости насосно-компрессорных труб от шлама. Все это снижает надежность работы устройства и осложняет его обслуживание.

Технической задачей предлагаемого изобретения является ограничение передаваемых нагрузок на режущий узел, исключение опасности засорения гидромониторной насадки шламом, увеличение мощности струи, выходящей из насадки, снижение стоимости изготовления и увеличение рабочего ресурса режущего диска.

Поставленная задача решается предлагаемым устройством для щелевой перфорации обсаженных скважин, содержащим гидравлический цилиндр с подпружиненным поршнем и полым штоком, соединенными с режущим узлом, имеющим режущий диск на оси, расположенной в пазах втулки, концы оси расположены в пазах направляющих пластин, установленных в корпусе устройства, а гидромониторная насадка установлена выше диска и сориентирована на продольный паз в корпусе, опорные плашки расположены напротив режущего диска.

Новым в устройстве является то, что поршень гидравлического цилиндра снабжен упором, ограничивающим его ход, а гидромониторная насадка перекрыта фиксированной срезным штифтом втулкой с гнездом под шар, опорные плашки выполнены выдвижными, установленными с возможностью их перемещения до упора на колонну, а пазы во втулке для оси режущего диска выполнены в виде ломаной линии с различным углом наклона относительно вертикальной оси устройства. Режущая кромка режущего диска выполнена с углом заточки от 60 градусов до 90 градусов, а диаметр его равен диаметру корпуса устройства, материалом для изготовления диска служит инструментальная сталь для холодной деформации металла, например 6Х 6В 3 МФС. Канал гидромониторной насадки выполнен с квадратным поперечным сечением, а насадка установлена перпендикулярно оси устройства.

На фиг.1 представлено предлагаемое устройство в исходном транспортном положении; на фиг.2 - сечение А-А режущего узла; на фиг.3 - устройство в рабочем положении в момент максимального выдвижения режущего диска за колонну и размыва высоконапорной струей из гидромониторной насадки цементного камня; на фиг.4 - сечение В-В - режущего узла в рабочем положении; на фиг.5 - сечение и заточка режущего диска.

Предлагаемое устройство для щелевой перфорации обсаженных скважин (фиг.1 и 2) включает в себя корпус 1, в котором размещен режущий узел, состоящий из направляющей втулки 2 с пазами 3, для размещения оси 4 вместе с режущим диском 5. Режущая кромка диска 5 (фиг.5) выполнена с углом заточки от 60 градусов до 90 градусов, а диаметр его равен диаметру корпуса устройства, материалом для изготовления диска служит инструментальная сталь для холодной деформации металла, например 6Х 6В 3 МФС. Режущий диск 5 расположен на оси 4, которая установлена в пазах 3 втулки 2, выполненных в виде ломаной линии с различным углом наклона относительно вертикальной оси устройства, а концы оси 4 расположены в пазах 6 направляющих пластин 7, установленных в корпусе 1. Ось 4 установлена в пазах с возможностью перемещения в радиальном направлении.

На боковой поверхности направляющей втулки 2 режущего узла установлена гидромониторная насадка 8 таким образом, что продольная ось канала гидромониторной насадки направлена перпендикулярно вертикальной оси устройства, а канал, выполненный с квадратным поперечным сечением, направлен на щель в обсадной колонне через продольный паз 9 на корпусе 1, в котором расположен и перемещается режущий диск 5.

С противоположной стороны указанного продольного паза на корпусе 1 выполнены два окна, в которых расположены две опорные плашки 10. Опорные плашки своей внутренней поверхностью опираются на направляющую втулку 2, которая выталкивает их до упора на колонну. В верхней части втулки 2 установлена сдвижная втулка 11 вместе с уплотнительными кольцами 12, которые перекрывают промывочный канал гидромониторной насадки 8. Втулка 11 фиксируется срезным штифтом 13. Ниже втулки 11 установлен опорный штуцер 14, который обеспечивает перепад давления в гидравлическом цилиндре устройства при накатке щели режущим диском с одновременной промывкой скважины. К верхней части режущего узла крепится полый шток 15 и поршень 16, размещенные в гидравлическом цилиндре 17, который соединен с корпусом 1 устройства. Корпус 1 и гидравлический цилиндр 17 разделены промежуточной опорой 18, на которую опирается возвратная пружина 19 поршня 16. Между опорой 18 и поршнем 16 на штоке 15 установлен упор 20, который ограничивает ход поршня 16, а следовательно, и радиальное перемещение режущего диска 5. Ограничение хода поршня необходимо для снятия критических осевых нагрузок на режущий узел устройства (режущий диск, втулку, направляющие пластины) после того, как обсадная колонна окажется прорезанной режущим диском на заданную глубину, а радиальный ход режущего диска достигает максимальной величины.

Снятие нагрузок достигается следующим образом. Накатка продольной щели в обсадной колонне устройством осуществляется при избыточном давлении до 6,0 МПа. После прорезания щели режущий диск перемещается в радиальном направлении на максимальную величину. После этого осуществляется намыв каверны за обсадной колонной через щель с помощью гидромониторной насадки 8 при избыточном давлении 18-20 МПа, которое будет вызывать критические осевые и радиальные нагрузки, превышающие более чем в 3 раза нагрузки, возникающие при накатке щели. Это приведет к повышенному износу деталей режущего узла (режущего диска 5, оси 4, направляющей втулки 2, направляющих пластин 7), являющихся основными элементами устройства.

При наличии упора 20, ограничивающего ход поршня в момент достижения заданного максимального радиального выхода режущего диска 5, поршень 16 упирается в упор 20, и дальнейшее повышение избыточного давления в гидравлическом цилиндре устройства не будет приводить к повышению нагрузок на режущий узел. Ход поршня и выход режущего диска за колонну регулируется в зависимости от толщины стенки обсадной колонны таким образом, чтобы ступица режущего диска не опиралась на внутреннюю поверхность обсадной трубы, ось 4 при этом не доходила до крайнего положения в пазах 3 и 6 (фиг.3). В верхней части устройства установлен циркуляционный клапан, состоящий из переводника 21, корпуса 22 и подвижной втулки 23 с уплотнительными кольцами 24 и срезными штифтами 25. В нижней части на корпусе 1 устройства установлен направляющий башмак 26. Предлагаемое устройство спускается в обсадную колонну 27. После завершения формирования щели в устройство сбрасывают шар 28, который перекрывает канал 29 и производят намыв каверны в породе 30 за колонной. По окончании намыва каверны в устройство сбрасывают шар 31, который открывает отверстия 32 циркуляционного клапана для слива жидкости.

Работа устройства по накатке продольной щели в обсаженной скважине заключается в следующем. Устройство спускается в скважину в собранном и отрегулированном виде на насосно-компрессорных трубах (НКТ) до необходимого интервала перфорации. Затем с помощью геофизических методов, путем спуска приборов в НКТ, производится привязка глубины спуска устройства к заданному интервалу перфорации. Для удаления из НКТ различного рода частиц, которые отслоились от стенок НКТ при спуске геофизических приборов, а также попали в полость НКТ во время спуска-подъема труб, в скважине восстанавливают прямую или обратную промывку, после чего при необходимости осуществляют замену жидкости путем закачки в скважину жидкости вскрытия.

Для осуществления перфорации обсадной колонны устройство спускается в нижнее положение, путем прокачки жидкости в НКТ создается избыточное давление с одновременной промывкой через штуцер 14.

Избыточное давление создается и поддерживается ступенчато от 0,5 МПа до 6,0 МПа. При создании давления поршень устройства вместе с режущим узлом перемещается вниз, опорные плашки 10 перемещаются в радиальном направлении до упора на колонну 27 (фиг.3-4). Одновременно режущий диск 5 выдвигается в радиальном направлении по пазам 3 и 6 до соприкосновения с обсадной колонной. Затем устройство протягивается вдоль обсадной колонны на величину заданного интервала перфорации вверх и снова спускается в крайнее нижнее положение. Ступенчато повышая давление и перемещая устройство вверх-вниз, воздействуем режущим диском на колонну, за счет чего осуществляется формирование желоба в металле трубы, а затем и образование продольной щели в стенке колонны (фиг.3).

После окончательного формирования щели в устройство сбрасывают шар 28, который перекрывает отверстие сдвижной втулки 11 и канал 29, и при повышении давления штифт 13, фиксирующий втулку 11, срезается, сдвижная втулка 11 перемещается вниз до опорного штуцера 14 и перекрывает отверстие (фиг.1 и 3). При этом промывочный канал гидромониторной насадки 8 открывается и жидкость через гидромониторную насадку подается в щель в обсадной трубе, размывая цементный камень и породу 30 за колонной до образования каверны. При этом избыточное давление в устройстве поднимается до 18-20 МПа и устройство перемещается вдоль всей щели с помощью НКТ вверх-вниз.

Контроль за процессом накатки щели в обсадной трубе, а также за формированием щели осуществляется на поверхности по показаниям индикатора веса.

После образования щели в обсадной колонне режущий диск 5 принимает крайнее радиальное положение, поршень упирается в упор 20 и усилия, создаваемые давлением жидкости, не передаются на режущий узел устройства (фиг.3).

Продолжительность намыва каверны за колонной определяется техническими и технологическими условиями, состоянием скважины. По окончании формирования каверны через прорезанную щель за обсадной колонной устройство необходимо повернуть в скважине на 120 градусов с помощью НКТ и операцию по накатке желоба, формированию щели в обсадной колонне и намыву каверны повторить.

После осуществления щелевой перфорации колонны в одном интервале таким же образом можно выполнить щелевую перфорацию в другом интервале, переместив устройство вверх или вниз с помощью НКТ. По окончании работ давление в НКТ снижается до нуля, возвратная пружина 19 возвращает поршень 16 в верхнее положение. Весь режущий узел также перемещается вверх. Режущий диск 5 и опорные плашки 10 возвращаются в транспортное положение (фиг.1). В колонну НКТ сбрасывается шар 31, после посадки его в седло подвижной втулки 23 создается давление в НКТ, срезные штифты 25 срезаются, подвижная втулка 23 перемещается вниз и открывает отверстия 32 циркуляционного клапана для слива жидкости из НКТ в процессе их подъема из скважины.

Использование предлагаемого устройства для щелевой перфорации обсадных колонн обеспечивает следующие преимущества.

При наличии упора 20, ограничивающего ход поршня 16 и, следовательно, режущего диска 5, исключается передача критических нагрузок на детали режущего узла после прорезания щели в колонне, при намыве каверны, когда избыточное давление в устройстве увеличивается в 2-3 раза для создания гидромониторного эффекта от гидромониторной насадки 8.

Наличие пазов во втулке в виде ломаной линии с различным углом наклона относительно вертикальной оси устройства и в направляющих пластинах для концов оси режущего диска обеспечивает изменение радиальных усилий, передаваемых режущим диском на колонну, и уменьшает холостой ход поршня 16 при подводе режущего диска 5 к стенке колонны.

Наличие опорных плашек 10 позволяет увеличить диаметр корпуса устройства, разместив в нем режущий диск 5 максимального диаметра, максимально приблизить режущий диск 5 к обсадной колонне и гидромониторную насадку 8 к прорезаемой щели.

Применение фиксированной срезным штифтом втулки 11 обеспечивает возможность как прямой, так и обратной промывки скважины в процессе спускоподъемных операций, улучшение гидравлической проходимости, исключает попадание посторонних предметов в отверстие гидромониторной насадки 8 до начала размыва каверны.

Гидромониторная насадка 8 имеет канал с квадратным поперечным сечением, продольная ось канала направлена радиально к корпусу и перпендикулярно вертикальной оси устройства, что обеспечивает снижение энергетических затрат струи жидкости на завихрение и закручивание.

В целом предлагаемое устройство позволяет повысить надежность и оперативность его управления, увеличить рабочий ресурс деталей устройства и качество работы.

Изобретение относится к нефтяной и газовой промышленности и может быть использовано при вскрытии продуктивных горизонтов в обсаженных скважинах. Обеспечивает повышение надежности работы устройства. Сущность изобретения: устройство содержит гидравлический цилиндр с подпружиненным поршнем и полым штоком, соединенными с режущим узлом. Последний имеет режущий диск на оси, расположенной в пазах втулки. Концы оси расположены в пазах направляющих пластин, установленных в корпусе устройства. Гидромониторная насадка установлена выше диска и сориентирована на продольный паз в корпусе. Опорные плашки расположены напротив режущего диска. Согласно изобретению поршень гидравлического цилиндра снабжен упором, ограничивающим его ход. Гидромониторная насадка перекрыта фиксированной срезным штифтом втулкой с гнездом под шар. Опорные плашки выполнены выдвижными, установленными с возможностью их перемещения до упора на колонну. Пазы во втулке для оси режущего диска выполнены в виде ломаной линии с различным углом наклона относительно вертикальной оси устройства. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для щелевой перфорации обсаженных скважин путем прорезания продольных щелей в обсадной колонне с последующим размывом высоконапорной струей цементного камня и породы, содержащее гидравлический цилиндр с подпружиненным поршнем и полым штоком, соединенными с режущим узлом, имеющим режущий диск на оси, расположенной в пазах втулки, концы оси расположены в пазах направляющих пластин, установленных в корпусе устройства, а гидромониторная насадка установлена выше диска и сориентирована на продольный паз в корпусе, опорные плашки расположены напротив режущего диска, отличающееся тем, что поршень гидравлического цилиндра снабжен упором, ограничивающим его ход, а гидромониторная насадка перекрыта фиксированной срезным штифтом втулкой с гнездом под шар, опорные плашки выполнены выдвижными, установленными с возможностью их перемещения до упора на колонну, а пазы во втулке для оси режущего диска выполнены в виде ломаной линии с различным углом наклона относительно вертикальной оси устройства.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что режущий диск выполнен диаметром, равным диаметру корпуса устройства, а его режущая кромка имеет заточку от 60 до 90°, материалом для изготовления режущего диска служит инструментальная сталь для холодной деформации металла - 6Х 6В 3 МФС.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что канал гидромониторной насадки выполнен с квадратным поперечным сечением, а насадка установлена перпендикулярно оси устройства.