перфоратор для скважины

Формула изобретения

1. Перфоратор для скважины, содержащий корпус, выполненный в виде клина с пазами, цилиндр с поршнем и режущий инструмент в виде резцов, установленных в пазы с возможностью перемещения, отличающийся тем, что корпус вверху соединен с канатом, а цилиндр и поршень размещены в корпусе и установлены так, что подпоршневая часть цилиндра взаимодействует с внутренним пространством скважины, в верхней части цилиндра установлен обратный клапан, а цилиндр заполнен жидкостью и образует камеру высокого давления, при этом над цилиндром расположена камера низкого давления, причем между камерами установлен динамический подпружиненный клапан с внутренним проходным каналом, при этом в рабочем положении динамический клапан перекрывает обратный клапан, к поршню же через шток присоединена опора, в верхней части которой имеются радиальные пазы, в которые вставлены резцы с возможностью перемещения.

2. Перфоратор для скважин по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от количества перфорируемых участков камера низкого давления выполнена сборной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к области бурения скважин, и может быть использовано для создания перфорационных каналов в обсадной колонне труб.

Известен "Перфоратор кумулятивный с переменным внешним диаметром" (см. патент RU 2091567, МКИ Е 21 В 43/117, БИ 27, от 27.09.97), включающий кумулятивные заряды в индивидуальном герметичном корпусе с каркасом для их крепления, который выполнен в виде отдельных продольных полос с отверстиями под головку заряда, соединенных посредством сменных колец, соответствующих диаметру перфоратора, детонирующие шнуры и средства инициирования.

Недостатками данной конструкции являются: во-первых, при ударном воздействии на стенку скважины растрескивается ее крепь, что приводит к преждевременной обводненности скважины; во-вторых, необходимо использовать для работы дорогостоящие кумулятивные заряды и кабель, специально обученный персонал, и соблюдение многих мер безопасности, что в совокупности значительно повышает стоимость работ.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является "Устройство для создания перфорационных щелевых каналов" (см. SU а.с. 1776772, МКИ Е 21 В 43/114, БИ 43, от 23.11.92), содержащее корпус с продольным каналом и наклонными пазами, цилиндр с поршнем и режущий инструмент в виде резцов, шарнирно связанных с поршнем и установленных в наклонные пазы корпуса с возможностью перемещения, при этом поршень выполнен кольцевым, причем в каждом резце выполнен продольный канал с возможностью гидравлической связи с каналом корпуса в крайнем верхнем положении.

Недостатком устройства является ограниченность использования из-за того, что спускоподьемные операции возможны только на насосно-компрессорных трубах (НКТ), высокая металлоемкость и сложное конструктивное исполнение.

Решаемая техническая задача состоит в том, чтобы создать такое устройство для перфорации стенок скважины, которое бы при сравнительно простом конструктивном исполнении и минимальных затратах на спускоподьем обеспечивало его надежную и эффективную работу.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и расширение ее функциональных возможностей, а так же снижение материальных затрат на спускоподьемные операции.

Поставленная цель достигается описываемым перфоратором для скважины, содержащим корпус, выполненный в виде клина с пазами, цилиндр с поршнем и режущий инструмент в виде резцов, установленных в пазы с возможностью перемещения.

Новым является то, что корпус вверху соединен с канатом, а цилиндр и поршень размещены в корпусе и установлены так, что подпоршневая часть цилиндра взаимодействует с внутренним пространством скважины, в верхней части цилиндра установлен обратный клапан, а цилиндр заполнен жидкостью и образует камеру высокого давления, при этом над цилиндром расположена камера низкого давления, причем между камерами установлен динамический подпружиненный клапан с внутренним проходным каналом, при этом в рабочем положении динамический клапан перекрывает обратный клапан, к поршню же через шток присоединена опора, в верхней части которой имеются радиальные пазы, в которые вставлены резцы с возможностью перемещения.

Новым также является то, что в зависимости от количества перфорируемых участков камера низкого давления выполнена сборной.

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствие в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом устройстве, т. е. о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 схематично представлено предлагаемое устройство в статике; на фиг.2 - разрез динамического клапана.

Перфоратор для скважины содержит корпус 1 (см. фиг.1), выполненный в вид клина 2 с пазами 3 (например, выполненными в виде "ласточкиного хвоста"), цилиндр 4 с поршнем 5 и режущий инструмент 6 в виде резцов, установленных в пазы 3, с возможностью перемещения. Корпус 1 вверху соединен с канатом 7, а цилиндр 4 и поршень 5 размещены в корпусе 1 и установлены так, что подпоршневая часть 8 цилиндра 4 взаимодействует с внутренним пространством 9 скважины 10. В верхней части 11 цилиндра 4 установлен обратный клапан 12, а цилиндр заполнен жидкостью и образует камеру высокого давления, при этом над цилиндром 4 расположена камера низкого давления 13, при чем между камерами 4 и 13 установлен динамический клапан 14 с внутренним проходным каналом 15 поджатый пружиной 16. В рабочем положении динамический клапан 14 перекрывает обратный клапан 12. К поршню 5 через шток 17 присоединена опора 18, в верхней части которой имеются радиальные пазы 19, в которые вставлены резцы 6 с возможностью перемещения. От несанкционированных перетоков жидкости предохраняют уплотнения 20, 21, 22, 23.

Устройство работает следующим образом.

В собранном виде (см. фиг.1) перфоратор для скважины на канате 7 спускают в скважину 10 в требуемый для перфорации интервал. При спуске предлагаемого устройства в скважину 10 за счет его конструктивных особенностей, т. е. взаимодействия подпоршневой части 8 цилиндра 4 с внутритрубным пространством 9 скважины 10, в цилиндре 4 создается давление, равное давлению столба скважинной жидкости. При этом в камере низкого давления 13 давление остается равным атмосферному. После чего устье герметизируют и внутри скважины создают избыточное давление, которое передается в цилиндр 4, т.е. в камеру высокого давления, и воздействует на динамический клапан 14 для открытия канала 15, сжимая пружину 16, т.к. в камере низкого давления 13 давление остается равным атмосферному. Избыточное давление рассчитывают по известной формуле:

Р_изб=Р_ср-Р_гл, [1]

где Р_изб - избыточное давление, создаваемое в скважине, МПа;

P_сp - давление, необходимое для срабатывания устройства, МПа.

Экспериментально установлено, что для надежной работы предлагаемого устройства в скважинных условиях необходимо, чтобы:

Р_ср=22-23 МПа для глубин 1200-1800 метров,

Р_ср=16-17 МПа для глубин 500-1200 метров,

потому что избыточное давление не рекомендуется превышать 15 МПа, чтобы не подвергать риску нарушения целостности стенок скважины, и быть менее 4-5 МПа, чтобы не допускать самопроизвольного срабатывания устройства;

Р_гл - глубинное давление, на данном интервале скважины, образуемое столбом внутрискважинной жидкости, МПа.

Для уравновешивания силы столба внутрискважинной жидкости, воздействующей на динамический клапан 14, рассчитывается жесткость пружины 16 по формуле:

F_пр = P_cp(D-d₁-d₂)²/4, [2]

где F_пp - усилие пружины в конце рабочего хода, т.е. в сжатом состоянии, Н;

P_сp - давление, необходимое для срабатывания устройства, МПа;

D, d₁, d₂ - диаметры динамического клапана 14 (см. фиг.2), м.

Усилие пружины 16 в конце рабочего хода, т.е. в сжатом состоянии должно быть равно силе, возникающей при воздействии давления срабатывания на динамический клапан, т. к. при несоблюдении этих условий возникает либо несанкционированное срабатывание устройства, либо полный отказ.

Соблюдение данных условий [1, 2] позволяет гарантировать работоспособность предлагаемого устройства для перфорации стенок 9 скважины 10.

В результате перемещения динамического клапана 14, он перекрывает обратный клапан 12 и выходит из контакта с уплотнением 23, и отверстие 15 динамического клапана 14 открывается, а площадь воздействия давления на динамический клапан 14 увеличится, так как диаметр отверстия 15 динамического клапана 14 очень мал (d₃1-2% от D) (см. фиг.2), следовательно, избыточное давление далее можно не прикладывать. После открытия отверстия 15 динамического клапана 14 (см. фиг.1), жидкость под давлением столба скважинной жидкости перетекает из цилиндра 4 в камеру 13, заставляя поршень 5 двигаться вверх, увлекая за собой через шток 17 опору 18, в результате чего резцы 6 перемещаются по пазам 3 и радиальным пазам 19 опоры 18 до касания стенок скважины 10. После этого поршень 5 фиксируется относительно стенок скважины 10, а корпус 1, растягивая канат 7, перемещается вниз, раздвигая резцы 6, которые проводят перфорацию стенок скважины 10. По завершению рабочего хода поршень 5 и корпус 1 перестают перемещаться относительно друг друга, поэтому давление в камере 13 и верхней части 11 цилиндра 4 выравнивается, и пружина 16 возвращает динамический клапан 14 в первоначальное положение. Затем корпус 1 приподнимают при помощи каната 7 вверх, вытаскивая резцы 6 из стенок скважины 10 при помощи пазов 3 клина 2, так как поршень 5 через опору 18 и резцы 6 зафиксирован относительно стенок скважины 10. При этом поршень 5 возвращается в исходное состояние, втягивая жидкость из внутритрубного пространства скважины через обратный клапан 12. Далее перфоратор на канате устанавливают в следующем интервале, который необходимо проперфорировать и цикл повторяется. Камера 13 может выполняться сборной, ее длина зависит от количества необходимых установок в скважине.

Предлагаемое устройство позволяет осуществить необходимое количество перфораций при минимальных затратах времени на спускоподъем, а то, что перфоратор для скважин не создает щелей и, следовательно, не требует дополнительных усиливающих элементов и цилиндров с поршнями, позволяет существенно уменьшить металлоемкость конструкции. Все это приводит к экономии материальных и финансовых ресурсов.