способ вскрытия продуктивных пластов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ вскрытия продуктивных пластов, включающий спуск перфоратора в скважину на заданную глубину, последующее перемещение вверх и одновременное прорезание щели заданного размера в стенке обсадной трубы выдвижной дисковой фрезой, последующее продолжение прорезания щели в продуктивном пласте режущим устройством, находящимся в одной плоскости с фрезой и выполненным в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, путем постепенного поворота его из продольного положения в поперечное относительно ствола скважины, отличающийся тем, что перфоратор оснащают мерным устройством для измерения величины прорезанной щели, механизмом его фиксации к стенке обсадной трубы и калиброванного перемещения вдоль оси скважины с приводным механизмом в виде вращающегося колеса, узлом, исключающим возможность проворота перфоратора в процессе перфорации путем ввода программным механизмом штыря в прорезанную фрезой щель, при этом после спуска перфоратора прижимают его к трубе механизмом фиксации и калиброванного перемещения, а затем фрезой прорезают щель на заданную мерным устройством высоту, а после подключения к перфорации режущего устройства перемещение перфоратора в зоне перфорации осуществляют со стабильной дозированной подачей посредством механизма калиброванного перемещения.

2. Устройство для вскрытия продуктивных пластов, содержащее режущее устройство в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, шарнирно соединенного с корпусом с возможностью поворота его из продольного положения в поперечное относительно ствола скважины, приводное устройство цепи и выдвижную дисковую фрезу, установленную в корпусе в одной плоскости с режущим устройством, отличающееся тем, что перфоратор снабжен мерным устройством для измерения величины прорезанной щели, механизмом фиксации и калиброванного перемещения с приводным механизмом в виде вращающегося колеса с возможностью опоры на внутреннюю поверхность обсадной трубы в зоне перфорации, узлом для исключения проворота перфоратора вокруг его продольной оси при перемещении перфоратора вдоль обсадной трубы в процессе перфорации путем автоматического ввода штыря в прорезанную щель с помощью программного механизма, а фреза установлена с возможностью вращения и одновременного перемещения в сторону обсадной трубы и вдоль ее продольной оси.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пила и программный механизм связаны кинематически таким образом, что обеспечен требуемый закон перемещения пилы.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что введены устройство ориентации и узел разворота перфоратора вокруг его оси для прорезания нескольких щелей в разных радиальных направлениях относительно продольной оси скважины.

5. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что двигатель приводного устройства выполнен в виде электрического двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и найдет применение при проведении перфорационных работ в скважинах для образования выреза в стенке обсадной трубы и вблизи скважины, пересекающей подземный пласт.

Известен способ вскрытия пластов, обеспечивающий вскрытие пласта в обсаженных скважинах, заключающийся в том, что вскрытие пласта осуществляют подвижной дисковой фрезой, расположенной в перфораторе, опускаемом на насосно-компрессорных трубах (НКТ), который фиксируют в обсадной колонне в зоне вскрываемого пласта [1]. Недостатком такого способа является малая (<0,5 диаметра скважины) глубина перфорации, низкая надежность работы режущего инструмента, большие энергозатраты.

Известен также способ вскрытия пластов, обеспечивающий вскрытие пласта в обсаженных скважинах, заключающийся в том, что вскрытие пласта осуществляют перфоратором с зубчатой цепью [2]. Недостатком такого способа является малая (меньше диаметра скважины) глубина перфорации, низкая надежность режущего инструмента из-за вибраций, возникающих на нем вследствие упругих свойств НКТ и жидкости, подаваемой под давлением с поверхности в гидродвигатель перфоратора.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, заключающийся в том, что вскрытие пласта осуществляют подвижным режущим устройством перфоратора, опускаемого на уровень перфорации на НКТ, гибких трубах и поднимаемого затем на требуемую высоту в процессе образования выреза в пласте [3]. Режущее устройство выполнено в виде пилы с рычагом, который несет бесконечную цепь с режущими элементами. При использовании цепь обегает вокруг рычага в то время, как он постепенно поворачивается из продольного в поперечное положение относительно ствола скважины, тем самым заставляя режущие элементы прорезать вырез в пласте. После достижения пилой поперечного положения перфоратор перемещают в скважине таким образом, чтобы получить вырез требуемых размеров, после чего при снятии давления жидкости устройство под действием пружины возвращается в исходное положение.

Недостатками известного способа являются низкая надежность и большие энергозатраты. Кроме того, вырез в пласте осуществляют в произвольном (неориентированном) направлении, что значительно снижает эффективность отдачи вскрытого пласта.

Недостатки известного устройства, реализующего способ [3], заключаются в следующем:

- корпус устройства в процессе образования выреза в пласте находится на подвеске (НКТ, гибкие трубы, каротажный кабель) в свободном незафиксированном положении, что приводит к возникновению вибрационных нагрузок на режущем инструменте при образовании выреза в пласте вследствие упругих свойств подвески, а также возможности проворота корпуса устройства вокруг своей оси и, как следствие, заклиниванию режущего инструмента в пазу выреза при перемещении вверх и его излому;

- информация о фактических размерах выреза в продуктивном пласте определяется по косвенным признакам, а не непосредственными измерениями, что значительно ухудшает прогнозируемые характеристики дебита скважины;

- общеизвестно, что при фрезеровании должна быть обеспечена жесткая дозированная подача режущего инструмента (фрезы цепной пилы) в пределах от 20 до 50 мкм на зуб режущего инструмента. При длине труб, на которой подвешено устройство, равном для примера 3 км, при усилии резания около 100 кг упругие деформации колонны труб составят:

что совершенно недопустимо при указанных выше величинах подачи, так как приведет к излому инструмента;

- применение гидродвигателя с подачей в него с поверхности земли жидкости приводит также к повышенным энергозатратам для создания необходимого давления в гидродвигателе и необходимости подъема всего столба жидкости в скважине на поверхность;

- указанное режущее устройство не позволяет вскрывать пласты из скважины со стальными обсадными трубами.

Изобретение направлено на повышение надежности и снижение энергозатрат.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе вскрытия продуктивных пластов, включающем спуск перфоратора в скважину на заданную глубину, последующее перемещение вверх и одновременное прорезание щели заданного размера в стенке обсадной трубы выдвижной дисковой фрезой, последующее продолжение прорезания щели в продуктивном пласте режущим устройством, находящимся в одной плоскости с фрезой и выполненным в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, путем постепенного поворота его из продольного положения в поперечное относительно ствола скважины, перфоратор оснащают мерным устройством для измерения величины прорезанной щели, механизмом его фиксации к стенке обсадной трубы и калиброванного перемещения вдоль оси скважины с приводным механизмом в виде вращающегося колеса, узлом, исключающим возможность проворота перфоратора в процессе перфорации путем ввода программным механизмом штыря в прорезанную фрезой щель, при этом после спуска перфоратора прижимают его к трубе механизмом фиксации и калиброванного перемещения, затем фрезой прорезают щель на заданную мерным устройством высоту, а после подключения к перфорации режущего устройства перемещение перфоратора в зоне перфорации осуществляют со стабильной дозированной подачей посредством механизма калиброванного перемещения.

В устройстве для вскрытия продуктивных пластов, содержащем режущее устройство в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, шарнирно соединенного с корпусом с возможностью поворота его из продольного положения в поперечное относительно ствола скважины, приводное устройство цепи и выдвижную дисковую фрезу, установленную в корпусе в одной плоскости с режущим устройством, перфоратор снабжен мерным устройством для измерения величины прорезанной щели, механизмом фиксации и калиброванного перемещения с приводным механизмом в виде вращающегося колеса с возможностью опоры на внутреннюю поверхность обсадной трубы в зоне перфорации, узлом для исключения проворота перфоратора вокруг его продольной оси при перемещении перфоратора вдоль обсадной трубы в процессе перфорации путем автоматического ввода штыря в прорезанную щель с помощью программного механизма, а фреза установлена с возможностью вращения и одновременного перемещения в сторону обсадной трубы и вдоль ее продольной оси.

Кроме того:

- пила и программный механизм связаны кинематически таким образом, что обеспечивается требуемый закон перемещения пилы с рычагом;

- введены устройство ориентации и узел разворота перфоратора вокруг оси для прорезания нескольких щелей в разных радиальных направлениях относительно продольной оси скважины;

- двигатель приводного устройства выполнен в виде электрического двигателя.

За счет оснащения перфоратора мерным устройством для измерения величины прорезанной щели, механизмом фиксации и калиброванного перемещения, приводной механизм которого выполнен в виде вращающегося колеса, узлом, исключающим возможность проворота перфоратора вокруг его продольной оси при перемещении перфоратора вдоль обсадной трубы в процессе перфорации путем автоматического ввода штыря в прорезанную щель с помощью программного механизма обеспечивается стабильная, дозированная подача режущих инструментов (фрезы и пилы), в результате исключается их излом и повышается надежность предлагаемого способа и устройства.

Наличие выдвижной дисковой фрезы позволяет вскрывать продуктивные пласты скважин со стальными обсадными трубами.

Программный механизм позволяет автоматически начинать и заканчивать перфорацию подземного пласта на заданную высоту и производить измерение фактических размеров выреза в пласте с сохранением данных измерения после подъема устройства на поверхность из скважины, производить одновременную перфорацию обсадной трубы и подземного пласта в целях снижения энергопотребления и сокращения времени перфорации.

Наличие кинематической связи пилы с программным механизмом обеспечивает требуемый закон перемещения пилы, что в свою очередь позволяет:

- создать оптимальный уровень подачи каждого режущего элемента пилы по всей ее длине при выходе из корпуса перфоратора, развороте ее в направлении от скважины и дальнейшем перемещении вдоль оси скважины и снизить энергопотребление.

Выполнение приводного устройства в виде электрического двигателя позволяет значительно сократить энергозатраты за счет исключения необходимости создания давления и подъема всего столба жидкости в скважине на поверхность.

На фиг.1 показан общий вид перфоратора; на фиг.2 - вид сбоку; на фиг.3, 4 - различные стадии перфорации обсаженной скважины и пласта.

Устройство для вскрытия продуктивных пластов содержит блок 1 электронный, электродвигатель 2, узел 3 разворота перфоратора вокруг оси, механизм 4 фиксации и калиброванного перемещения перфоратора с приводным механизмом, выполненным в виде вращающегося колеса, мерное устройство 5, узел 6 подвески с режущим элементом в виде дисковой фрезы 7, пилу 8 с рычагом и обегающей вокруг него бесконечной цепью 9, узел, исключающий возможность проворота перфоратора вокруг оси, содержащий штырь 10, устройство 11 приведения узлов и механизмов перфоратора в исходное положение по окончании перфорационных работ. При этом пила и программный механизм связаны кинематически таким образом, что обеспечивается требуемый закон перемещения пилы, например с помощью кулачка с переменным профилем.

Вращение от электродвигателя 2 передается через кинематические цепи шестерен 12 на дисковую фрезу 7, на приводной механизм 4 фиксации и калиброванного перемещения перфоратора вдоль оси обсадной трубы 13, на узел 3 разворота перфоратора вокруг оси, на узел 14 подвески и привода поворота рычага пилы 8 и обегающую вокруг него бесконечную цепь 9, на узел 6 подвески и вращения дисковой фрезы 7, через винтовую пару 15 на программный механизм 16 управления режимами работы перфоратора, на устройство 11 приведения перфоратора в исходное состояние.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

На каротажном кабеле 17 скважинный перфоратор опускают в скважину на заданную глубину, после чего подают питающее напряжение на блок 1 электронный и включают режим перфорации, для чего осуществляют выдвижение исполнительных элементов механизма 4 фиксации и калиброванного перемещения перфоратора, обеспечивая таким образом прижим перфоратора к стенкам обсадной трубы. При необходимости прорезания нескольких щелей в разных радиальных направлениях относительно продольной оси скважины устанавливают требуемое направление перфорации с помощью устройства 18 ориентации и узла 3 разворота перфоратора в скважине.

Одновременно с включением в работу механизма 4 фиксации и калиброванного перемещения осуществляют вывод вращающейся дисковой фрезы 7 за пределы корпуса 19 перфоратора, подвод ее к стенке обсадной трубы 13 для прорезания щели в стенке и части цементного слоя за пределами обсадной трубы. После образования щели в нее вводят штырь 10, исключающий совместно с механизмом 4 фиксации и калиброванного перемещения проворот перфоратора вокруг своей оси и поломку режущего инструмента при перемещении перфоратора вверх по обсадной трубе. Синхронизацию подключения различных исполнительных механизмов (профильных щелей, кулачков, штырей и т.д.) осуществляют автоматически с помощью программного механизма 16. После достижения заданного размера щели в стенке обсадной трубы 13, программный механизм 16 подключает к перфорации пилу 8, которая выдвигается из корпуса 19 перфоратора с заданной угловой скоростью в сторону от скважины, разворачивается в заданное положение и одновременно перемещается вдоль обсадной трубы 13 (фиг.3). При этом продолжается прорезание щели в обсадной трубе и продуктивном пласте на заданную мерным устройством 5 высоту. С момента начала прорезания щели в обсадной трубе 13 программный механизм 16 включает мерное устройство 5, обеспечивающее измерение и запоминание величины прорезанной щели. Указанное устройство предназначено для управления перфорацией пласта, а также для контроля высоты перфорации после подъема перфоратора на поверхность земли.

По достижении запрограммированной высоты прорезанной щели (фиг.4) мерное устройство 5 включает устройство 11 приведения в исходное положение, которое обеспечивает введение всех выдвинутых исполнительных органов внутрь перфоратора в обратной последовательности. В качестве устройства приведения перфоратора в исходное положение возможно применение любого устройства, например обычной пружины.

Применение предлагаемого способа и устройства за счет обеспечения жесткого прижима перфоратора к стенке обсадной трубы и плавного перемещения его со стабильной дозированной подачей вдоль оси скважины в зоне перфорации, а также за счет исключения проворота перфоратора вокруг его оси во время перфорации позволит исключить поломку режущих устройств (фрезы и пилы) и обеспечить надежное и эффективное вскрытие продуктивного пласта в обсаженных скважинах с наименьшими энергозатратами.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1668640, кл. Е 21 В 43/11, 1991 г.

2. Патент РФ №2007549, кл. Е 21 В 43/114, 1994 г.

3. Патент РФ №2137912, кл. Е 21 В 43/00, E 21 B 29/00, 1999 г. - прототип.