перфоратор для скважины

Формула изобретения

1. Перфоратор для скважины, содержащий корпус, выполненный в виде клина с пазами, основной цилиндр с поршнем и режущий инструмент в виде резцов, установленных в пазы с возможностью перемещения, отличающийся тем, что корпус вверху соединен с канатом, при этом корпус содержит камеру низкого давления, под которой размещены жестко соединенные основной и дополнительный цилиндры, в цилиндры установлены поршни, причем в дополнительном цилиндре поршень снабжен проходным каналом, соединяющим надпоршневую часть основного цилиндра с надпоршневой частью дополнительного цилиндра, поршни между собой жестко соединены и размещены так, что подпоршневая часть цилиндров взаимодействует с внутренним пространством скважины, а цилиндры заполнены жидкостью, между камерой низкого давления и цилиндрами установлены обратный клапан и динамический подпружиненный клапан с внутренним проходным каналом, причем в рабочем положении динамический клапан перекрывает обратный клапан, к поршню же основного цилиндра через шток присоединена опора с радиальными пазами в верхней части, в которые установлены резцы с возможностью перемещения.

2. Перфоратор для скважины по п.1, отличающийся тем, что в зависимости от глубины перфорируемого интервала в корпусе установлено расчетное количество дополнительных цилиндров и поршней.

3. Перфоратор для скважины по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в зависимости от количества перфорируемых участков и количества дополнительных цилиндров 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 соблюдать меры 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 спускоподъемные операции возможны только на насосно-компрессорных трубах (НКТ), высокая металлоемкость, сложное конструктивное исполнение и в скважинах малого диаметра требуются давления для срабатывания выше критических (25 МПа).

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 спускоподъем обеспечивало его надежную и эффективную работу в скважинах любого диаметра и во всех интервалах перфорации.

Целью предлагаемого изобретения является снижение металлоемкости конструкции и расширение ее функциональных возможностей, а также снижение материальных затрат на спускоподъемные операции.

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

Новым является то, что корпус вверху соединен с канатом, при этом корпус содержит камеру низкого давления, под которой размещены жестко соединенные основной и дополнительный цилиндры, в цилиндры установлены поршни, причем в дополнительном цилиндре поршень снабжен проходным каналом, соединяющим надпоршневую часть основного цилиндра с надпоршневой частью дополнительного цилиндра, поршни между собой жестко соединены и размещены так, что подпоршневая часть цилиндров взаимодействует с внутренним пространством скважины, а цилиндры заполнены жидкостью, между камерой низкого давления и цилиндрами установлены обратный клапан и динамический подпружиненный клапан с внутренним проходным каналом, причем в рабочем положении динамический клапан перекрывает обратный клапан, к поршню же основного цилиндра через шток присоединена опора с радиальными пазами в верхней части, в которые установлены резцы с возможностью перемещения.

Новым также является то, что в зависимости от глубины перфорируемого интервала в корпусе установлено расчетное количество дополнительных цилиндров и поршней.

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

Анализ известных аналогичных решений позволяет сделать вывод об отсутствии 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:

а) верхняя часть устройства;

б) нижняя часть устройства.

На фиг.2 - увеличенное изображение динамического клапана в разрезе. Перфоратор для скважины содержит корпус 1, выполненный в виде клина 2 с пазами 3 (например, выполненными в виде ласточкиного хвоста), основной цилиндр 4 с поршнем 5 и режущий инструмент в виде резцов 6, установленных в пазы 3 с возможностью перемещения. Корпус 1 вверху соединен с канатом 7, причем корпус содержит камеру низкого давления 8, под которой размещены жестко соединенные основной 4 и дополнительный 9 цилиндры. В цилиндры 4 и 9 установлены поршни 5 и 10, причем в дополнительном цилиндре 9 поршень 10 снабжен проходным каналом 11, соединяющим надпоршневую часть 12 основного цилиндра 4 с надпоршневой частью 13 дополнительного цилиндра 9. Поршни 5 и 10 между собой жестко соединены и размещены так, что подпоршневая часть 14 и 15 цилиндров 4 и 9 соответственно взаимодействует через отверстия 16 и 17 с внутренним пространством 18 скважины 19, а цилиндры 4 и 9 заполнены жидкостью. Между камерой низкого давления 8 и цилиндрами 4 и 9 установлены обратный клапан 20 (см. фиг.2) и динамический подпружиненный клапан 21 с внутренним проходным каналом 23, причем в рабочем положении динамический клапан 21 перекрывает обратный клапан 20. К поршню 5 (см. фиг.1) основного цилиндра 4 через шток 24 присоединена опора 25 с радиальными пазами 26 в верхней части, в которые установлены резцы 6 с возможностью перемещения. Верхняя 27 и нижняя 28 резьбы дополнительного цилиндра 9 одинаковы между собой, как и верхняя 29, и нижняя 30 резьбы дополнительного поршня 10, что в совокупности позволяет присоединять любое необходимое количество дополнительных цилиндров 9 и поршней 10. Соединительная резьба 31 камеры низкого давления 8 позволяет, добавляя полые патрубки с резьбой, получать необходимый объем камеры низкого давления. От несанкционированных перетоков жидкости предохраняют уплотнения 32, 33 и 34. От несанкционированных перетоков жидкости в клапанах 20 и 21 (см. фиг.2) предохраняют уплотнения 35, 36 и 37.

Устройство работает следующим образом.

В собранном виде (см. фиг.1) перфоратор на канате 7 спускают в скважину 19 в требуемый для перфорации интервал. При спуске предлагаемого устройства в скважину 19 за счет его конструктивных особенностей, т.е. взаимодействия подпоршневых частей 14 и 15 цилиндров 4 и 9 соответственно с внутритрубным пространством 18 скважины 19, в цилиндрах 4 и 9 создается давление, равное давлению столба скважинной жидкости. При этом в камере низкого давления 18 давление остается равным атмосферному. После чего устье герметизируют и внутри скважины создают избыточное давление, которое передается в цилиндры 4 и 9, т.е. в камеру высокого давления, и воздействует на динамический клапан 21 (см. фиг.2) для открытия канала 23, сжимая пружину 22, т.к. в камере низкого давления 8 давление остается равным атмосферному. Избыточное давление рассчитывают по известной формуле (1):

Р_изб=Р_ср-Р_гл (1),

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

P_сp - давление, необходимое для срабатывания устройства, МПа;

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

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

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

Р_ср=16-17 МПа для глубин 500-1200 м,

Р_ср= 11-12 МПа для глубин 20-500 м,

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

Для уравновешивания силы столба внутрискважинной жидкости, воздействующей на динамический клапан 21 (см. фиг.2), рассчитывается жесткость пружины 22 по формуле (2):

F_пр=(nР_ср (D1²-d1²-d2²)/4), (2),

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

n - общее количество цилиндров и поршней, шт.;

P_cр - давление, необходимое для срабатывания устройства, МПа;

Dl, dl, d2 - диаметры динамического клапана 21 (см. фиг.2), м;

- коэффициент, учитывающий диаметр d (см. фиг.1а) штоков дополнительных поршней 10 (см. фиг.1) и потери на трение в парах цилиндр - поршень (из практики 0,75).

Усилие пружины 22 (см. фиг.2) 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 невозможность проведения работ.

Соблюдение данных условий (1, 2) позволяет гарантировать работоспособность предлагаемого устройства для перфорации стенок скважины 19 (см. фиг.1).

В результате перемещения динамического клапана 21 (см. фиг.2) он перекрывает обратный клапан 20 и выходит из контакта с уплотнением 37, и отверстие 23 динамического клапана 21 открывается, а площадь воздействия давления на динамический клапан 21 увеличится, т.к. диаметр отверстия 23 динамического клапана 21 очень мал (d₃1-2% от Dl), следовательно, избыточное давление далее можно не прикладывать. После открытия отверстия 23 динамического клапана 21 жидкость под давлением столба скважинной жидкости перетекает из цилиндров 4 и 9 (см. фиг.1) в камеру низкого давления 8, заставляя поршни 5 и 10 двигаться вверх, увлекая за собой через шток 24 опору 25, в результате чего резцы 6 перемещаются по пазам 3 и радиальным пазам 26 опоры 25 до касания стенок скважины 19. После этого поршни 5 и 10 фиксируются относительно стенок скважины 19, а корпус 1, растягивая канат 7, перемещается вниз, раздвигая резцы 6, которые проводят перфорацию стенок скважины 19. По завершению рабочего хода поршни 5 и 10 перестают перемещаться относительно корпуса 1, поэтому давление в камере 8 и верхних частях 12 и 13 цилиндров 4 и 9 выравнивается, и пружина 22 возвращает динамический клапан 21 в первоначальное положение. Затем корпус 1 приподнимают при помощи каната 7 вверх, вытаскивая резцы 6 из стенок скважины 19 при помощи пазов 3 клина 2, т. к. поршни 5 и 10 через опору 25 и резцы 6 зафиксированы относительно стенок скважины 19. При этом поршни 5 и 10 возвращаются в исходное положение, втягивая жидкость из внутритрубного пространства скважины 19 через обратный клапан 20 (см. фиг.2). Далее перфоратор на канате устанавливают в следующем интервале, который необходимо проперфорировать, и цикл повторяется.

Длина камеры 8 (см. фиг.1) зависит от количества необходимых интервалов перфорации в скважине. Корпус 1 может состоять из нескольких дополнительных цилиндров 9 и поршней 10 в зависимости от глубины интервала перфорации: чем глубже интервал - тем меньшим количеством цилиндров и поршней можно осуществить перфорацию стенки скважины 19. Необходимое количество цилиндров и поршней определяется по известной формуле (3):

n=(2F_pes2tg)/(P_глD²/4), (3),

где n - общее количество цилиндров и поршней, шт.;

- коэффициент, учитывающий диаметр d (см. фиг.1а) штоков дополнительных поршней 10 и потери на трение в парах цилиндр - поршень (из практики 0,75);

F_рез - усилие, прилагаемое на один резец для перфорации колонны труб, Н (из практики, для перфорации сечением 5010 мм², F_peз=150 кН);

- угол (см. фиг.16) клина 2 на одну сторону, то есть угол от оси до одной из граней клина 2, при этом полный угол клина 2 равен 2, градусы (из практики =10-14°);

P_гл - глубинное давление на данном интервале скважины, образуемое столбом внутрискважинной жидкости, МПа;

D - внутренний диаметр (см. фиг.1а) цилиндров 4 и 9, м.

После получения значения необходимого количества поршней по формуле (3) значение n округляют до целого в большую сторону, что обеспечивает гарантированное срабатывание устройства в требуемом интервале перфорации.

Перфоратор для скважины не создает щелевых перфорационных отверстий в стенках скважины и, следовательно, не требует дополнительных усиливающих элементов, что позволяет существенно уменьшить металлоемкость конструкции. Предлагаемое устройство спускается на канате, что позволяет значительно снизить затраты времени на спускоподъемные операции, а сборная конструкция камеры низкого давления, поршней и цилиндров позволяет гарантированно проводить работу на скважинах малого диаметра в любых интервалах перфорации.