глубинное устройство для вертикальных перемещений гидроперфоратора

Формула изобретения

1. Глубинное устройство для вертикальных перемещений гидроперфоратора, содержащее цилиндрический корпус и установленный соосно с ним с возможностью перемещения относительно корпуса и жестко связанный в нижней части с гидроперфоратором полый шток, образующий с корпусом кольцевую камеру, причем в герметичной части кольцевой камеры, заполненной вязкой жидкостью, - гидроцилиндре расположен поршень, жестко связанный со штоком и имеющий капиллярный канал и обратный клапан, отличающееся тем, что в кольцевой камере, под гидравлической частью с вязкой жидкостью и поршнем, расположена жестко связанная со штоком и с возможностью перемещения относительно корпуса опора, поджатая снизу относительно корпуса пружиной.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что верхний конец штока снабжен держателем с манжетой, перекрывающей сверху кольцевую камеру между корпусом и штоком.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нижняя часть штока снабжена второй опорой, упирающейся снаружи в дно корпуса в крайнем верхнем положении штока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что подпружиненная опора снабжена шпонкой с заостренным концом, заходящей в сквозной вертикальный паз корпуса, длиной не менее хода штока, закрытый снаружи крышкой, причем заостренный конец шпонки касается острием внутренней поверхности крышки.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что цилиндрический корпус сверху герметично закрыт пробкой, имеющей центральное отверстие под шток и уплотнение по штоку и хотя бы одно боковое отверстие, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой, а другой выходит во внутреннюю полость кольцевой камеры с поршнем и вязкой жидкостью.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что к верхней части цилиндрического корпуса последовательно присоединены детали с центральным отверстием под шток и уплотнением по штоку, некоторые из которых имеют хотя бы с одного торца кольцевую расточку с внутренним диаметром, превышающим диаметр штока, и соединенные между собой торцами, хотя бы один из которых имеет расточку, образующую при соединении дополнительную кольцевую камеру, причем образованные расточками дополнительные камеры заполнены вязкой жидкостью.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что хотя бы одна из деталей имеет хотя бы одно боковое отверстие, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой, а другой конец выходит во внутреннюю полость образованной кольцевой камеры, расположенной ниже наружного конца этого бокового отверстия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к оборудованию для вскрытия продуктивных пластов, и может найти применение в горнодобывающей промышленности.

Известны глубинные устройства для вертикальных перемещений перфоратора, содержащие цилиндр, поршень, жестко соединенный с полым штоком, золотниковый механизм, капилляр и амортизаторы. Переключение направления хода поршня осуществляется при помощи золотникового механизма. Скорость перемещения поршня и длину его хода регулируют соответственно капилляр и амортизаторы. Указанные устройства описаны, например, в авт. св. СССР N 487228, МКИ E 21 B 43/114, 1975 г., в авт. св. N 672331, МКИ E 21 B 43/114, 1979 г. или в учебном пособии Усачева П.М. "Гидравлический разрыв пласта", -М.: Недра, 1986 г. , стр. 66-67.

В качестве рабочей жидкости в них используется жидкость для гидроперфорации, что снижает надежность и долговечность, особенно в агрессивных средах.

Недостатками таких устройств являются также сложность их конструкции, а также непосредственное контактирование рабочей жидкости, используемой при гидропескоструйном вскрытии пластов, с деталями, управляющими работой устройства (золотниковым узлом, амортизаторами, капилляром и др.).

Известна также конструкция глубинного устройства для вертикальных перемещений перфоратора, описанная в трудах Азербайджанского НИИ нефтяного машиностроения (Казанский филиал), в статье Ачкурина И.Ш. "Подземное оборудование для ГПП", вып.1, 1971 г., стр. 38-42.

Указанное устройство содержит цилиндр, поршень с двумя противоположно направленными полыми штоками, расположенными соосно, капилляр и обратный клапан, помещенные в нижней части цилиндра и предназначенные соответственно для регулирования подпоршневой полости аппарата скваженной жидкостью при возврате поршня совместно с перфоратором в исходное верхнее положение.

В известном устройстве подпоршневой рабочей жидкостью является вода. При этом для возврата подвижной части устройства в исходное положение требуется обратная промывка скважины. В случае применения этого устройства в агрессивных средах его надежность и долговечность резко снижаются в связи с проникновением в полость цилиндра мелких абразивных частиц с рабочей жидкостью, что приводит к закупорке капилляра и нарушению работоспособности аппарата, причем на устье скважины это не фиксируется.

Наиболее близко по технической сущности к заявляемому устройству "Глубинное устройство для вертикальных перемещений перфоратора", описанное в авт. св. 737619, МКИ E 21 B 43/114, публикация 1980 г. (прототип).

Указанное устройство содержит корпус, внутри которого установлен с возможностью перемещения относительно него дифференциальный полый шток с насадками и затвором, образующий с корпусом кольцевую герметичную камеру, заполненную вязкой жидкостью, в которой расположен поршень, жестко связанный со штоком и имеющий обратный клапан и капиллярный канал.

Изолирование внутренней полости цилиндра от внутритрубного и затрубного пространств и заполнение его вязкой жидкостью позволяет расширить диапазон регулирования скорости перемещения перфоратора.

В этом устройстве возврат штока с перфоратором из нижнего положения в верхнее осуществляется усилием давления гидростатического столба рабочей жидкости на нижний шток, имеющий большее поперечное сечение по сравнению с сечением верхнего штока, то есть за счет направленного вверх усилия, возникающего в подвижной гидравлически неуравновешенной системе. Таким образом, низкая скорость возврата штока является причиной невысокой эффективности работы данного устройства.

Недостатком данного устройства является также сложность конструкции, что снижает его надежность.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности и надежности работы глубинного устройства для вертикального перемещения гидроперфоратора.

Поставленная задача решается за счет того, что глубинное устройство для вертикальных перемещений гидроперфоратора, содержащее цилиндрический корпус и установленный соосно с ним с возможностью перемещения относительно корпуса и жестко связанный в нижней части с гидроперфоратором полый шток, образующий с корпусом кольцевую камеру, в герметизированной части которой, заполненной вязкой жидкостью, расположен поршень, жестко связанный со штоком и имеющий капиллярный канал и обратный клапан, содержит расположенную в кольцевой камере, под гидравлической частью с поршнем, жестко связанную со штоком и с возможностью перемещения относительно корпуса опору, поджатую снизу относительно корпуса пружиной.

При этом опора, жестко связанная со штоком, при его движении вниз сжимает пружину, а после достижения крайнего нижнего положения и сброса давления рабочей жидкости разжимающаяся пружина посредством опоры поднимает шток вверх, обеспечивая быстрый возврат перфоратора в исходное положение. В заявляемом устройстве подъем штока осуществляется за счет усилия сжатой пружины, которая значительно превосходит усилие гидростатического давления, используемое в известных устройствах, что увеличивает эффективность работы. Использование пружины повышает также надежность заявленного устройства по сравнению с устройствами, в которых применяется гидростатический способ возврата штока, так как пружина является практически безотказным элементом. Кроме того, в заявляемом устройстве шток может быть выполнен одного диаметра по всей длине, что упрощает его изготовление и делает более надежным.

В частном случае выполнения, в устройстве верхний конец полого штока снабжен держателем с манжетой, перекрывающей сверху кольцевую камеру между корпусом и штоком.

Введение манжеты исключает попадание частиц абразива рабочей жидкости в полость между корпусом и штоком, в том числе препятствует загрязнению вязкой жидкости, которое может привести к засорению капилляра и поршня и к остановке устройства, повышая таким образом надежность его работы.

В частном случае выполнения устройства нижняя часть штока снабжена второй опорой, упирающейся снаружи в дно корпуса в крайнем верхнем положении штока.

Введение второй опоры предохраняет устройство от поломок при ударах в дно скважины (при разгрузке инструмента на забой), так как всю нагрузку в этих случаях воспринимают не внутренние детали устройства, а его корпус. Таким образом, введение второй опоры повышает надежность работы устройства.

В частном случае выполнения устройства подпружиненная опора снабжена шпонкой с заостренным концом, заходящей в сквозной вертикальный паз корпуса длиной не менее хода штока, закрытый снаружи крышкой, причем заостренный конец шпонки касается острием внутренней поверхности крышки.

Наличие шпонки и вертикального паза исключает возможность поворота штока с перфоратором вокруг оси, что позволяет получать щели заданных размеров и направлений с большей эффективностью. При этом заостренный конец шпонки во время движения штока нарезает на крышке вертикального паза царапины для контроля хода перфоратора и непрерывности работы устройства.

В частном случае выполнения устройства цилиндрический корпус сверху герметично закрыт пробкой, имеющей центральное отверстие под шток и уплотнение по штоку и хотя бы одно боковое отверстие, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой, а другой выходит во внутреннюю полость кольцевой камеры с поршнем и вязкой жидкостью.

Наличие пробки с боковым отверстием позволяет контролировать через него состояние вязкой жидкости внутри гидравлической части кольцевой камеры, а также производить ее заливку или, при необходимости, замену без разборки всего устройства. А так как вынужденная разборка устройства приводит к износу резьбовых соединений и снижению их долговечности, то исключение дополнительных разборок повышает надежность и эффективность работы устройства.

В частном случае выполнения устройства к верхней части цилиндрического корпуса последовательно присоединены детали с центральным отверстием под шток и уплотнением по штоку, некоторые из которых имеют хотя бы с одного торца кольцевую расточку с внутренним диаметром, превышающим диаметр штока, и соединенные между собой торцами, хотя бы один из которых имеет расточку, образующую при соединении дополнительную кольцевую камеру, причем образованные расточками дополнительные камеры заполнены вязкой жидкостью.

Последовательное присоединение к верхней части корпуса деталей, образующих в местах их соединения дополнительные камеры с вязкой жидкостью, создает дополнительное гидравлическое уплотнение по штоку, которое препятствует просачиванию рабочей жидкости внутрь кольцевой камеры с поршнем и загрязнению в ней вязкой жидкости, что повышает надежность работы устройства.

Кроме того, заявляемая конструкция позволяет путем присоединения необходимого количества деталей, образующих дополнительные камеры, заполненные вязкой жидкостью, обеспечить степень уплотнения, требуемую в каждом конкретном случае в зависимости от условий эксплуатации устройства, а также позволяет в случав необходимости заменить вязкую жидкость внутри дополнительных камер, не прибегая к полной разборке устройства.

При выполнении устройства с присоединенными последовательно деталями, образующими дополнительные кольцевые камеры, как указано выше, в частном случае хотя бы одна из этих деталей имеет хотя бы одно боковое отверстие, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой, а другой конец выходит во внутреннюю полость образованной кольцевой камеры, расположенной ниже наружного конца этого бокового отверстия.

Наличие бокового отверстия позволяет контролировать состояние вязкой жидкости в дополнительной камере, а также производить ее заливку или, при необходимости, замену без разборки деталей, образующих эту дополнительную камеру. А так как вынужденная разборка устройства приводит к износу резьбовых соединений и снижению их долговечности, то исключение дополнительных разборок повышает надежность и эффективность работы устройства.

На фиг. 1 схематично представлено заявляемое глубинное устройство для вертикальных перемещений гидроперфоратора:

а) в крайнем верхнем положении штока,

б) в крайнем нижнем положении штока.

На фиг. 2 представлен частный случай выполнения заявляемого устройства с держателем и манжетой на верхнем конце штока:

а) в крайнем верхнем положении штока,

б) в крайнем нижнем положении штока.

На фиг. 3 представлен частный случай выполнения заявляемого устройства со второй опорой в нижней части штока:

а) в крайнем верхнем положении штока,

б) в крайнем нижнем положении штока.

На фиг. 4 представлен частный случай выполнения заявляемого устройства с заостренной шпонкой и пазом в корпусе, закрытым крышкой:

а) в крайнем верхнем положении штока,

б) в крайнем нижнем положении штока.

На фиг. 5 представлен частный случай выполнения заявляемого устройства, в котором корпус сверху закрыт пробкой с боковым отверстием:

а) в крайнем верхнем положении штока,

б) в крайнем нижнем положении штока.

На фиг. 6 представлен частный случай выполнения заявляемого устройства с деталями, образующими дополнительные кольцевые камеры:

а) вариант с одинаковыми деталями;

б) вариант с разными деталями.

На фиг. 7 представлен частный случай выполнения заявляемого устройства с деталями, образующими дополнительные кольцевые камеры и имеющими боковые отверстия:

а) вариант с одинаковыми деталями,

б) вариант с разными деталями.

Заявляемое глубинное устройство для вертикальных перемещений гидроперфоратора (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1, внутри которого установлен соосно с ним и с возможностью перемещения относительно корпуса полый шток 2, образующий с корпусом 1 кольцевую камеру. Шток 2 жестко связан в нижней части с гидроперфоратором 3. В верхней герметичной части кольцевой камеры, заполненной вязкой жидкостью 4, расположен поршень 5, жестко связанный со штоком 2 и имеющий капиллярный канал 6, обратный клапан 7 и уплотнение 8 по корпусу 1. В нижней части кольцевой камеры, под гидравлической частью с поршнем, расположена пружина 9, нижним концом упирающаяся на дно корпуса 1, а верхним - в опору 10, жестко связанную со штоком 2.

Заявляемое устройство в частном случае выполнения (фиг. 2) содержит дополнительно жестко связанный с верхним концом штока 2 держатель 11, в котором закреплена манжета 12, перекрывающая сверху кольцевую камеру между корпусом 1 и штоком 2.

Заявляемое устройство в частном случае выполнения (фиг. 3) содержит дополнительно в нижней части штока вторую опору 13, жестко связанную со штоком 2 и упирающуюся снаружи в дно корпуса 1 в крайнем верхнем положении штока 2.

Заявляемое устройство в частном случае выполнения (фиг. 4) содержит дополнительно шпонку 14 с заостренным концом, соединенную с подпружиненной опорой 10 и заходящую в сквозной вертикальный паз корпуса 1, длиной не менее хода штока 2, закрытый снаружи крышкой 15, причем острие шпонки 14 касается внутренней поверхности крышки 15.

Заявляемое устройство в частном случае выполнения (фиг. 5) содержит дополнительно пробку 16 с центральным отверстием под шток и уплотнением по штоку 2, герметично закрывающую сверху цилиндрический корпус 1 и имеющую хотя бы одно боковое отверстие 17, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой 18, а другой конец - во внутреннюю полость кольцевой камеры с поршнем 5, заполненной вязкой жидкостью 4.

Заявляемое устройство в частном случае выполнения (фиг. 6) дополнительно содержит последовательно присоединенные к верхней части цилиндрического корпуса 1 детали 19 с центральным отверстием под шток и уплотнением по штоку 2, некоторые из которых имеют хотя бы с одного торца расточку с внутренним диаметром, превышающим диаметр штока 2, соединенные между собой торцами, хотя бы один из которых имеет такую расточку, образующую дополнительную кольцевую камеру 20, заполненную вязкой жидкостью 4.

При этом детали 19 могут быть, например, одинаковыми с кольцевой расточкой с одного торца, присоединенные друг к другу так, как показано на фиг. 6 а), или разными, например, как показано на фиг. 6 б), когда детали с кольцевыми расточками с обоих торцов чередуются с деталями без расточек. Возможны и другие варианты соединений таких деталей, которые образуют за счет расточек дополнительные кольцевые камеры.

В заявляемом устройстве при его выполнении с последовательно присоединенными деталями 19, образующими дополнительные кольцевые камеры 20, как указано выше на фиг. 6, в частном случае (фиг. 7) хотя бы одна из деталей 19 имеет хотя бы одно боковое отверстие 21, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой 22, а другой конец выходит во внутреннюю полость дополнительной кольцевой камеры 20, расположенной ниже наружного конца этого бокового отверстия 21. При этом боковые отверстия 21 могут быть выполнены при разных вариантах соединения деталей 19, примеры которых приведены на фиг. 7 а) и б).

Заявляемое устройство работает следующим образом (см. фиг. 1).

Нагнетаемая в колонну насосно-компрессорных труб (НКТ) рабочая жидкость через полый шток 2 поступает в перфоратор 3 и выходит через отверстия его насадок. За счет давления рабочей жидкости создается усилие, направленное вниз. Под действием этого усилия вязкая жидкость 4 из подпоршневой полости поршня 5 по капиллярному каналу 6 перетекает в надпоршневую полость, в результате чего происходит медленное опускание подвижной системы, состоящей из штока 2, перфоратора 3, поршня 5 и опоры 10. При этом обратный клапан 7 поршня 5 закрыт. При своем движении вниз опора 10 сжимает расположенную под ней пружину 9. Малая скорость перемещения перфоратора определяется временем перетекания вязкой жидкости через капилляр поршня и выбирается расчетным путем необходимой для перфорации преграды (стенки обсадной трубы и пласта).

По достижении поршнем 5 крайнего нижнего положения нагнетание на устье скважины рабочей жидкости прекращается. При сбросе давления сжатая пружина 9 разжимается и с помощью опоры 10 возвращает подвижную систему в исходное верхнее положение. При этом вязкая жидкость 4 через открывшийся обратный клапан 7 перетекает под поршень 5.

Таким образом пружина 9 обеспечивает быстрый возврат перфоратора 3 в исходное верхнее положение для очередного цикла перфорации.

При работе устройства в частном случае выполнения (см. фиг. 2) при нагнетании рабочей жидкости манжета 12, закрепленная в держателе 11 на верхнем конце штока 2, перекрывает сверху кольцевую камеру между корпусом 1 и штоком 2 и исключает попадание туда крупных частиц абразива рабочей жидкости, приводящее к загрязнению вязкой жидкости 4, которое может привести к засорению капиллярного канала 6 и к остановке устройства, что повышает надежность его работы.

При работе устройства в частном случае выполнения (см. фиг. 3) при возможных ударах в дно скважины (при разгрузке инструмента на забой) в случае крайнего верхнего положения штока 2 вторая опора 13 в нижней части штока 2, упирающаяся снаружи в нижний торец корпуса 1, предохраняет устройство от поломок, так как всю нагрузку в этих случаях воспринимает через эту опору 13 корпус устройства 1, а не его внутренние детали. Таким образом, введение второй опоры 13 повышает надежность работы устройства.

При работе устройства в частном случае выполнения (см. фиг. 4), когда подпружиненная опора 10 снабжена шпонкой 14 с заостренным концом, заходящей в сквозной вертикальный паз корпуса 1, закрытого снаружи крышкой 15, и касающаяся острием внутренней поверхности этой крышки, исключается возможность поворота штока 2 с перфоратором 3 вокруг продольной оси, что позволяет получать щели в пластах породы заданных размеров и направлений с большей эффективностью. При этом заостренный конец шпонки 14 во время движения штока 2 нарезает на крышке 15 царапины для контроля хода перфоратора 3 и непрерывности работы устройства в целом.

При работе устройства в частном случае выполнения (см.фиг. 5), когда цилиндрический корпус 1 сверху герметично закрыт пробкой 16, имеющей центральное отверстие под шток и уплотнение по штоку 2, и хотя бы одно боковое отверстие 17, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой 18, а другой выходит во внутреннюю полость кольцевой камеры с поршнем 5 и вязкой жидкостью 4, наличие пробки с боковым отверстием позволяет контролировать через нее состояние вязкой жидкости 4, а также производить ее заливку или, при необходимости, замену без разборки всего устройства. А так как вынужденная разборка устройства приводит к износу резьбовых соединений и снижению их долговечности, то исключение дополнительных разборок повышает надежность и эффективность работы устройства.

При работе устройства в частном случае выполнения (см. фиг. 6), когда к верхней части цилиндрического корпуса 1 последовательно присоединены детали 19 с центральным отверстием под шток и уплотнением по штоку 2, образующие за счет торцевых расточек дополнительные кольцевые камеры 20, заполненные вязкой жидкостью 4, эти камеры создают дополнительное гидравлическое уплотнение по штоку, препятствующее просачиванию рабочей жидкости в гидравлическую камеру с поршнем и загрязнению в ней вязкой жидкости, что повышает надежность работы устройства.

При работе устройства с присоединенными последовательно деталями 19, образующими дополнительные кольцевые камеры 20, как указано выше, в частном случае такого выполнения (см. фиг. 7), когда хотя бы одна из этих деталей 19 имеет хотя бы одно боковое отверстие 21, один конец которого выходит наружу и герметично закрыт крышкой 22, а другой конец выходит во внутреннюю полость камеры 20, расположенной ниже наружного конца бокового отверстия, это боковое отверстие позволяет контролировать состояние вязкой жидкости 4 в камерах 20, а также производить ее заливку или, при необходимости, замену без разборки деталей 19. А так как вынужденная разборка деталей устройства приводит к износу резьбовых соединений и снижению их долговечности, то исключение дополнительных разборок повышает надежность и эффективность работы устройства.

Заявляемое глубинное устройство для вертикальных перемещений гидроперфоратора может быть изготовлено из обычных для данного типа устройств материалов на стандартном оборудовании с применением инструмента, используемого для изготовления узлов и деталей нефтегазового оборудования.

Так, например, для изготовления корпуса устройства и полого штока могут быть использованы металлические трубы в соответствии с Государственным стандартом СССР "Трубы металлические и соединительные части к ним.", изд. Стандартов, М, 1978 г. (стр. 148-176, 177-178).

При этом для гидравлической части корпуса устройства может быть выбрана, например, труба бурильная, прочностью марки "К", условным диаметром 89мм, с толщиной стенки 11 мм (Труба К-89х 11, ГОСТ 631-75).

Для части корпуса устройства с опорой и пружиной может быть выбрана, например, труба, прочностью "Д", условным диаметром 89 мм, с толщиной стенки 7 мм, так как эта часть устройства работает без избыточного давления (Труба В-89х7, ГОСТ 631-75).

Для полого штока может быть выбрана, например, труба бурильная геологоразведочная, прочностью марки "К", условным диаметром 42 мм, с толщиной стенки 5 мм (Труба К-42-4ОХ, ГОСТ 8467-57).

В качестве вязкой жидкости, заполняющей кольцевую камеру с поршнем и дополнительные кольцевые камеры, образованные расточками дополнительных деталей, присоединяемых последовательно к верхней части корпуса, может быть использовано, например, индустриальное масло марки "И-20А" ГОСТ 20799-75.

Все остальные детали устройства могут быть изготовлены, например, из стали марки 45Х в соответствии с ГОСТ 8479-70 "Марочник сталей и сплавов", -М.: Машиностроение, 1989г., стр. 146-147.

В конкретном случае использования блока пружин с параметрами, указанными выше, пружина может иметь, например, следующие характеристики:

длина пружины в свободном состоянии - 2,6 м

Средний диаметр пружины - 60 мм

Количество витков пружины - 65

Расстояние между витками пружины (шаг) - 28 мм

Диаметр прутка пружины - 10 мм

Материал пружины по ГОСТ 2052-53 - Сталь 60C2

Все уплотнения для заявляемого устройства, а также манжета для частного случая его выполнения могут быть изготовлены, например, из резины и выбраны соответствующих размеров по ГОСТ 6969-54 "Манжеты (воротники) резиновые уплотнительные для гидравлических устройств".

В конкретном случае при использовании узлов и деталей с параметрами, указанными выше, устройство в целом имеет следующие характеристики:

Высота устройства (без перфоратора) - Около 4 м

Скорость хода штока вниз при давлении рабочей жидкости в перфораторе 250 кг/см - 5 мм/мин

Скорость возврата штока в верхнее положение при помощи пружины - 300 мм/мин

Этого времени достаточно для перестановки инструмента на новую позицию.

Таким образом, по сравнению с известными устройствами, в которых шток с перфоратором возвращается при тех же условиях в крайнее верхнее положение со скоростью 60 мм/мин, заявляемое устройство работает по скорости возврата в 5 раз эффективнее.