устройство для щелевой перфорации обсаженной скважины

Формула изобретения

Устройство для щелевой перфорации обсаженной скважины, включающее размещенные в цилиндрическом корпусе гидродвигатель, каретку с приводом осевого перемещения, на которой установлены гидромонитор и механизм вырезки окна в обсадной колонне с концевой фрезой, имеющей привод вращения от гидродвигателя и осевого перемещения посредством гидроцилиндра, механизм фиксации корпуса в обсадной колонне, линию подачи рабочей жидкости и гидравлическую систему управления, отличающееся тем, что гидромонитор установлен в блоке, имеющем, по меньшей мере, один гидромонитор, а на каретке диаметрально относительно гидромониторного блока и механизма вырезки окна дополнительно установлены гидромониторный блок и механизм вырезки окна, причем оба механизма вырезки окна установлены в направляющих каретки, а гидроцилиндр осевого перемещения их концевых фрез установлен на механизмах вырезки окна и выполнен двухпоршневым, при этом приводной вал гидродвигателя кинематически связан с червячной парой, на ходовом винте которой установлена каретка посредством закрепленной на ней гайки, и с ведущей звездочкой, связанной цепной передачей через следящую звездочку с приводной звездочкой, которая установлена на шпинделях концевых фрез.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к устройствам, используемым при вторичном вскрытии продуктовых пластов.

Известны гидромеханические щелевые перфораторы, которые раскрыты, в частности, в патентах на изобретения RU 2375556, 10.12.2009; RU 2247226, 27.02.2005; RU 2241822, 10.12.2004; RU 2254451, 20.06.2005.

Они представляют собой устройство, спускаемое в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НТК), содержащее корпус, по меньшей мере, один режущий инструмент, механизм выдвижения режущего инструмента, включающий поршень-толкатель, а также, по меньшей мере, одну гидромониторную насадку, сообщающуюся с полостью НКТ, где циркулирует жидкость вскрытия, через гидроканал, расположенный, как правило, в поршне-толкателе или в выдвижной консоли, выполненной в одном блоке с поршнем.

Недостатками данных устройств является то, что накатные ролики (режущие диски), продавливающие обсадную колонну, вытягивают ее в диаметральных направлениях. При этом колонна сжимается с противоположных сторон и деформируется, т.е. происходит смятие ее под действием силы горных пород, что приводит к невозможности спуска в колонну другого инструмента. Также после извлечения накатных роликов (режущих дисков) из сформированных щелей в результате присутствия напряжения в трубе после пластической деформации металла эти щели, смыкаясь, уменьшаются в размере, что приводит к уменьшению дебета флюидов, находящихся в продуктивном пласте. Притом накатными роликами невозможно сформировать щель в обсадной колонне марки «А» из-за невысокого предела текучести стали (25 кг/мм² ), т.к. сталь просто вытягивается, не образуя щели, а в обсадных колоннах марок «Е», «Л» и «М» из-за высокой прочности сталей (предел текучести свыше 55 кг/мм ²) накатные ролики выходят из строя. Поэтому известные устройства имеют ограниченное применение и используются в основном для перфорации обсадных колонн марки «Д».

Известно также устройство для перфорации обсаженной скважины, включающее корпус, в котором размещены механизм вырезки окна в виде отверстия в обсадной колонне, выполненный в виде перфоратора с насадками, расположенными под углом к оси устройства, гибкий рукав с гидромониторным соплом и механизмом его выдвижения, отклонитель гибкого рукава и гидравлическая система управления. В отклонителе корпуса размещен механизм выдвижения гибкого рукава, выполненный 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. Для работы устройства в качестве рабочей жидкости используется жидкость с абразивом (см. а.с. СССР № 883350, оп. 23.11.1981).

Недостатком известного устройства является невысокая производительность и эксплуатационная надежность, а также малый срок службы из-за интенсивного износа элементов устройства ввиду наличия абразива в рабочей жидкости, участвующей во всех операциях технологического процесса. Устройство требует повышенных энергозатрат, т.к. для гидропескоструйной вырезки окон в виде отверстий требуется несколько насосных агрегатов. Используемое для работы устройства оборудование: насосные агрегаты и колонны подводных и насосно-компрессорных труб из-за перекачки по ним абразивной жидкости также подвергаются интенсивному износу, сокращающему срок их службы и увеличивающему эксплуатационные затраты.

Известно устройство для перфорации обсаженной скважины по патенту на изобретение RU 2137915, оп. 20.09.1999 г. Устройство содержит корпус, в котором размещены гидродвигатель вращения концевой фрезы механизма вырезки окна в виде отверстия в обсадной колонне, имеющего узел подачи, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава, механизм стопорения устройства в скважине, распорный механизм, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления устройством. Хвостовик концевой фрезы жестко посажен в пиноль, связанную шлицами со шпинделем, на котором соосно размещены две шестерни. При этом одна из шестерен жестко связана со шпинделем, а вторая шестерня жестко связана с винтом продольной подачи концевой фрезы. Обе шестерни введены в зацепление с двумя шестернями, жестко посаженными на приводной вал, механически связанный с гидродвигателем. Механизм вырезки окна снабжен ползуном, механически связанным с клапанами-отсекателями гидродвигателя и кинематически связанным с приводным валом.

Устройство работает на трех степенях давления рабочей жидкости и формирует в обсадной колонне цилиндрический канал диаметром, соответствующим диаметру концевой фрезы, в который проходит гидромониторное сопло, размывая горную породу продуктивного пласта. По мере образования перфорационного канала в породе продуктивного пласта гибкий рукав гидромониторного сопла по отклонителю через цилиндрический канал в обсадной колонне выдвигается за пределы скважины.

Известное устройство имеет невысокую производительность по площади вскрываемого пласта за одну операцию. Работа устройства требует привлечения дополнительного дорогостоящего оборудования и техники, например станции контроля цементажа (СКЦ), обеспечивающей необходимый контроль за расходом рабочей жидкости и поддержания расчетных давлений этой жидкости, что значительно увеличивает стоимость проводимых работ. Устройство имеет сложную конструкцию, снижающую ее эксплуатационную надежность.

Наиболее близким техническим решением - прототипом является устройство для перфорации обсаженной скважины по патенту US 6167968, оп. 02.01.2001 г.

Устройство по прототипу содержит цилиндрический корпус, в котором размещены каретка с приводом осевого перемещения в виде двух гидроцилиндров, механизм фиксации корпуса в обсадной колонне, выполненный в виде, по меньшей мере, одного гидроцилиндра, на штоке которого установлена возвратная пружина, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления устройством. На каретке установлено гидромониторное сопло, соединенное гибким рукавом с гидравлической системой, и механизм вырезки окна в виде отверстия в обсадной колонне, имеющий концевую фрезу с приводом вращения от гидродвигателя и осевого перемещения посредством гидроцилиндра.

Устройство формирует в обсадной колонне цилиндрический канал диаметром, соответствующим диаметру концевой фрезы, в который опусканием каретки гидроцилиндрами устанавливают гидромониторное сопло и подачей жидкости под высоким давлением через гибкий рукав размывают горную породу продуктивного пласта.

Недостатком прототипа является невысокая производительность, т.к. площадь вскрываемого пласта через цилиндрический канал за один цикл мала при значительных энергозатратах. Перемещение каретки гидроцилиндрами для совмещения гидромониторного сопла с отверстием в обсадной колонне требует применения системы контроля гидравлической подачи жидкости и дополнительной гидроклапанной аппаратуры, что усложняет конструкцию и снижает ее надежность. Кроме того, из-за очень высокого давления, необходимого для образования отверстия, на выходе гидромониторного сопла в образуемом объеме за вскрытой обсадной колонной также формируется избыточное по сравнению с гидростатическим давление, которое может привести к порыву перемычек, отделяющих продуктивный пласт от водоносного пласта, и в конечном итоге к обводнению продуктивного пласта.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простого и надежного устройства, обеспечивающего повышение производительности при снижении эксплуатационных затрат.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве для щелевой перфорации обсаженной скважины, включающем размещенные в цилиндрическом корпусе гидродвигатель, каретка с приводом осевого перемещения, на которой установлены гидромонитор и механизм вырезки окна в обсадной колонне с концевой фрезой, имеющей привод вращения от гидродвигателя и осевого перемещения посредством гидроцилиндра, механизм фиксации корпуса в обсадной колонне, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления, согласно изобретению, гидромонитор установлен в блоке, имеющем, по меньшей мере, один гидромонитор, а на каретке диаметрально относительно гидравлического блока и механизма вырезки окна дополнительно установлены гидромониторный блок и механизм вырезки окна, причем оба механизма вырезки окна установлены в направляющих каретки, а гидроцилиндр осевого перемещения их концевых фрез установлен на механизмах вырезки окна и выполнен двухпоршневым, при этом приводной вал гидродвигателя кинематически связан с червячной парой, на ходовом винте которой установлена каретка посредством закрепленной на ней гайки, и с ведущей звездочкой, связанной цепной передачей через следящую звездочку с приводной звездочкой, которая установлена на шпинделях концевых фрез.

Размещение на каретке двух диаметрально противоположных пар гидромониторных блоков с несколькими гидромониторами и механизмов вырезки окон с общим приводом синхронного движения концевых фрез в совокупности с кинематической связью механизма осевого перемещения каретки с гидродвигателем обеспечивают надежную и эффективную работу устройства. Совокупность указанных признаков позволяет устройству за один цикл работы осуществлять выфрезеровывание сразу двух продольных пазов в обсадной колонне с одновременным формированием сразу двух продольных каналов, получаемых за счет размывания цементного кольца и горной породы струями рабочей жидкости, выходящими через гидромониторы блоков.

Заявляемое изобретение поясняется примером выполнения с сопровождающими чертежами, на которых схематично изображены:

фиг.1 - общий вид устройства в исходном положении;

фиг.2 - общий вид устройства в рабочем положении.

Устройство содержит корпус 1, в верхней части которого размещен гидродвигатель 2 с приводным валом 3, соединенным через коническую пару 4 с ведущей звездочкой 5 и червячной парой 6. На ходовом винте 7 червячной пары 6 установлена каретка 8 посредством закрепленной на ней гайки 9. На каретке 8 диаметрально относительно друг друга закреплены два гидромониторных блока 10 и в направляющих 11 каретки 8 установлены два механизма 12 вырезки щелевого окна в обсадной колонне. На шпинделях 13 каждого механизма 12 вырезки щелевого окна установлены концевые фрезы 14, вращение на которые передается через шлицевое (шпоночное) соединение при помощи приводной звездочки 15, связанной цепной передачей с ведущей звездочкой 5 через следящую звездочку 16. На механизмах 12 вырезки щелевого окна закреплен двухпоршневой гидроцилиндр 17, на штоках 18 которого установлены возвратные пружины 19. Механизм фиксации корпуса в обсадной колонне выполнен в виде закрепленных в корпусе 1, по меньшей мере, двух гидроцилиндров 20, на штоках 21 которых установлены возвратные пружины 22. В корпусе 1 размещена телескопическая линия 23 подачи рабочей жидкости к гидромониторам блоков 10 и гидроцилиндрам 17 и 20.

Устройство работает следующим образом.

Устройство на колонне насосно-компрессорных труб спускают в скважину к интервалу перфорации. Затем по НКТ подают рабочую жидкость к гидродвигателю 2, вращающий момент от которого через приводной вал 3 и коническую пару 4 передается на ведущую звездочку 5 и червячную пару 6. Крутящий момент от ведущей звездочки 5 цепной передачей через следящую звездочку 16 передается на приводную звездочку 15, которая приводит во вращение шпиндели 13 концевых фрез 14 через шлицевое (шпоночное) соединение, имеющее свободное перемещение вдоль оси вращения. В то же время приводится в движение ходовой винт 7 червячной пары 6, вращение которого через гайку 9 передается на каретку 8, сообщая ей поступательное перемещение вдоль оси корпуса 1. Одновременно с началом вращения гидродвигателя 2 сливной поток жидкости от него передает давление на гидроцилиндры 20, поршни которых, преодолевая усилие возвратных пружин 22, упирают штоки 21 в стенку обсадной колонны, обеспечивая фиксацию устройства в скважине. Давление рабочей жидкости через гидравлическую линию 23 также поступает в гидроцилиндр 17, поршни которого, преодолевая усилие возвратных пружин 19, выдвигают штоки 18, которые перемещают механизмы 12 вырезки щелевого окна по направляющим 11 перпендикулярно оси устройства в противоположные стороны. Происходит врезание концевых фрез 14 в стенки обсадной колонны, которое в совокупности с поступательной подачей каретки 8 формируют одновременно два продольных паза в обсадной колонне. В то же время рабочая жидкость через гидравлическую линию 23 поступает к гидромониторам блоков 10, струи из которых, следуя за концевыми фрезами 14, через выфрезерованные пазы размывают цементное кольцо и прилегающую породу, формируя каверны в призабойной зоне пласта. После формирования каналов 24 (фиг.2) прекращают подачу рабочей жидкости и гидродвигатель 2 останавливается. При этом вращение концевых фрез 14 и перемещение каретки 8 прекращаются. Штоки 18 гидроцилиндра 17 под действием возвратных пружин 19 втягиваются, возвращая по направляющим 11 механизмы 12 вырезки щелевого окна в исходное положение. Одновременно под воздействием пружин 22 возвращаются в исходное положение штоки 21 гидроцилиндров 20 механизма фиксации корпуса в обсадной колонне. После этого устройство может быть извлечено из скважины.