Устройство для вскрытия пласта
Полезная модель относится к нефтяной и газовой промышленности, в частности, к устройствам для вскрытия пласта, не создающим деформации в приканальной зоне. Устройство спускается на точку резания на подвеске из труб или электрического кабеля. В верхней части устройства расположен узел вращения, представленный гидравлическим двигателем или совмещенным с гидравлическим насосом электродвигателем и узел фиксации, представленный гидравлическим якорем. Внутри корпуса расположены узлы: обратной связи параметров резания, передачи вращения, подачи режущего стержня и прижатия устройства к стенке. Узел обратной связи представлен сужающим устройством в кольцевом зазоре между валом узла вращения и управляющей втулкой. Узел передачи вращения представлен шарнирной передачей. Узел подачи режущего стержня представлен шаровым шарниром, опирающимся на опорную втулку и взаимодействующий посредством управляющих элементов с управляющей втулкой и корпусом. Корпус, управляющая и опорная втулки имеют продольный вырез для выхода режущего стержня, оппозитно которому расположен узел прижатия устройства к стенке.
Устройство работает следующим образом:
- узел вращения создает крутящий момент и поток жидкости;
- поток жидкости создает перепад давления па сужающем устройстве узла обратной связи, который заставляет сработать якорный узел, фиксируя устройство на точке резания, и, сжимая пружину управляющей втулки, перемещает управляющую втулку вниз;
- управляющая втулка, взаимодействуя через управляющие элементы с опирающимся на опорную втулку шаровым шарниром, поворачивает шаровый шарнир до контакта режущего стержня со стенкой скважины, при этом срабатывает узел прижатия к стенке;
- крутящий момент узлом передачи вращения передается на режущий стержень и начинается цикл резания, в процессе которого шаровый шарнир с режущим стержнем отклоняются от вертикали на предельный для шарнирной передачи угол, при этом управляющие элементы шарового шарнира занимают крайнее положение в пазах управляющей втулки, цикл резания заканчивается;
- по окончании процесса резания крутящий момент падает, что отмечает оператор и останавливает узел вращения. Снижение подачи жидкости уменьшает перепад давление на сужающем устройстве, пружины возвращают управляющую втулку в исходное положение, при этом управляющие элементы, взаимодействуя с управляющей втулкой и корпусом, поворачивают шаровый шарнир с режущим стержнем в транспортное положение;
- при дальнейшем снижении перепада давления на сужающем устройстве якорь снимается и устройство переставляется на новую точку резания.
Техническим результатом является расширение спектра применения за счет использования подвески и узла вращения разных типов (труба с гидравлическим двигателем и кабель с совмещенным с гидронасосом электродвигателем) и повышения безопасности применения устройства за счет принудительного возврата режущего стержня в транспортное положение, обеспечиваемого введением новой кинематической связи шарового шарнира с управляющей втулкой и корпусом устройства.
Полезная модель относится к устройствам для создания гидродинамической связи (каналов) флюидонасыщенного пласта со стволом скважины (перфорация), используемым в нефтяной и газовой промышленности.
Известно устройство для вскрытия пласта (патент 
, 2070358 Е21В 43/11), содержащее корпус с продольным вырезом в стенке; подвеску корпуса в виде труб; режущий стержень, помещенный напротив продольных вырезов корпуса, управляющей и опорной втулок и размещенный с возможностью вращения в шаровом шарнире; узел вращения в виде гидравлического двигателя; узел передачи вращения в виде шарнирной передачи; узел подачи режущего стержня, представленный опирающимся на опорную втулку шаровым шарниром, взаимодействующим с подпружиненной управляющей втулкой; гидравлический якорный узел.
Недостатком данного устройства является отсутствие обратной связи параметров режима резания (крутящего момента и усилия прижатия режущего стержня), что приводит к перегрузкам нижнего шарнира узла передачи вращения; выкрашиваются режущие кромки режущего стержня; используется серийный забойный гидравлический двигатель, предназначенный для работы с компенсацией осевого усилия разгрузкой на долото; и при резании устройство отклоняется к противоположной стенке, уменьшая глубину вскрытия.
Наиболее близким техническим решением является выбранное в качестве прототипа устройство для вскрытия пласта (патент 2145663 Е21В 43/11), содержащее корпус с продольным вырезом в стенке, подвеску корпуса в виде труб, режущий стержень, расположенный напротив продольных вырезов корпуса, управляющей и опорной втулок, размещенный с возможностью вращения в шаровом шарнире, узел вращения, представленный гидравлическим забойным двигателем, узел подачи режущего стержня, представленный шаровым шарниром в виде усеченного сверху и с боков шара, опирающегося на опорную втулку и взаимодействующей с ним подпружиненной управляющей втулки, якорный узел, выполненный в виде гидравлически неуравновешенной втулки с шарнирно закрепленными на ней клиньями, узел передачи вращения в виде шарнирной передачи, отличающееся тем, что оно дополнительно оснащено узлом обратной связи в виде сужающего элемента, расположенного в кольцевом зазоре между управляющей втулкой и валом узла вращения, узлом прижатия устройства к стенке скважины в виде одного или двух тел вращения, расположенного в корпусе и в управляющей втулке противоположно продольному вырезу, а также в конструкцию шпинделя узла вращения введен упорный подшипник и узел подачи режущего стержня выполнен с возможностью восприятия перепада давления с узла обратной связи.
При испытании в поверхностных условиях макетного образца устройства для вскрытия, выполненного по патенту 2145663, было выявлено, что возврата устройства в транспортное положение (ось режущего стержня совпадает с осью устройства) после окончания цикла резания не происходит. Подача режущего элемента происходит за счет поворота опирающегося на опорную втулку шарового шарнира вокруг горизонтальной оси вращения при взаимодействии расположенных эксцентрично относительно горизонтальной оси вращения управляющих элементов, представленных закрепленными на шаровом шарнире цилиндрическими штифтами, с горизонтальными вырезами в управляющей втулке при ее смещении вниз. Для обеспечения жесткости пары режущий элемент - деталь была применена скользящая с некоторым натягом посадка шарового шарнира в управляющей втулке, поэтому при возвратном движении управляющей втулки шаровый шарнир просто приподнимался над опорной втулкой, оставаясь в рабочем (отклоненном) положении. Кинематическая связь шарового шарнира с корпусом, обеспечиваемая в процессе резания взаимодействием шарнира с закрепленной в корпусе опорной втулкой, при возвратном движении управляющей втулки теряется. Механика колонны труб, подвергаемых пульсации внутреннего давления в скважинах сложного профиля (подавляющее большинство современных скважин) такова, что у точки крепления (забойный якорь) накапливаются осевые и крутящие напряжения, которые при снятии якоря (гидравлического, в данном случае при остановке циркуляции) могут привести к заклиниванию и повреждению режущего элемента, не находящегося в транспортном положении.
Задачей предлагаемого технического решения является: снижение риска аварий при механическом вскрытии пласта и расширение спектра применения устройства для вскрытия пласта.
Указанные цели достигается: обеспечением возврата устройства в транспортное положение в конце цикла резания путем изменения конструкции управляющего элемента для обеспечения взаимодействие шарового шарнира одновременно с опорой, управляющей втулкой и корпусом устройства; предусмотрена возможность замены подвески из труб геофизическим электрическим кабелем, при этом гидравлический двигатель узла вращения будет заменяться совмещенным с гидравлическим насосом электродвигателем. Для скважин несложного профиля применение в качестве подвески геофизического электрического кабеля с заменой гидравлического двигателя совмещенным с гидравлическим насосом электродвигателем значительно ускорит и удешевит операцию, обеспечив при этом точную привязку интервала перфорации геофизическими методами.
На чертежах Фиг.1-4 изображено предлагаемое устройство:
Обозначения на чертежах (Фиг.1-4):
1 - подвеска устройства
2 - узел вращения
3 - якорный узел
4 - сужающее устройство узла обратной связи
5 - корпус устройства
6 - шарнирная передача узла передачи вращения
7 - управляющая втулка
8 - шаровый шарнир узла подачи режущего стержня
9 - режущий стержень
10 - узел прижатия устройства к стенке скважины
11 - опорная втулка шарового шарнира
12 - пружина управляющей втулки
13 - управляющие элементы узла подачи режущего стержня.
На фиг.1 представлено устройство в рабочем положении в конце цикла резания. На фиг.2 и 3 представлены виды узла подачи режущего стержня с разрезом по корпусу устройства в транспортном положении и в конце цикла резания. Рисунки иллюстрируют взаимодействие шарового шарнира 8 с управляющей 7 и опорной 11 втулками. На фиг.4 представлен разрез по А-А, иллюстрирующий необходимое для возврата в транспортное положение взаимодействие шарового шарнира 8 с корпусом 5 устройства.
Устройство спускается на точку резания на подвеске 1, выполненной в виде труб или электрического кабеля и содержит узел вращения 2 в виде гидравлического двигателя или совмещенного с гидравлическим насосом электродвигателя, узел фиксации на точке резания 3 в виде гидравлического якоря 3, а также расположенные внутри корпуса 5: - узел обратной связи 4 в виде сужающего устройства, закрепленного на управляющей втулке 7; - узел передачи вращения 6 в виде шарнирной передачи; - узел подачи режущего стержня в виде опирающегося на жестко связанную с корпусом 5 опорную втулку 11 шарового шарнира, взаимодействующего посредством управляющего элемента 13, представленного двухступенчатыми фигурными выступами на боковых усечениях шарового шарнира, с корпусом 5 и управляющей втулкой 7, опирающейся на пружины 12. Для работы узла подачи режущего стержня в корпусе имеются отверстия, а в управляющей втулке - специальные вырезы. Управляющие элементы 13, обеспечивающие подачу режущего стержня, представлены двухступенчатыми фигурными выступами на боковых усечениях шарового шарнира 8. Первая ступень управляющего элемента является эксцентриком, расположенным в фигурном вырезе управляющей втулки 7 и взаимодействующим с вырезом управляющей втулки при ее перемещении. Вторая ступень управляющего элемента является цилиндрической, расположена на горизонтальной оси поворота шарового шарнира 8 и взаимодействует с цилиндрическими отверстиями в корпусе 5. В процессе резания подача режущего стержня поворотом опирающегося на опорную втулку 11 шарового шарнира 8 происходит за счет взаимодействия первой ступени управляющих элементов 13 с фигурными вырезами управляющей втулки 7, взаимодействие второй ступени управляющих элементов 13 с корпусом 5 является дублирующим. Главная задача второй ступени управляющих элементов 13 - сохранение положения оси поворота шарового шарнира 8 относительно корпуса 5, что и обеспечивает приведение устройства в транспортное положение при возвратном движении управляющей втулки 7 и взаимодействии вырезов управляющей втулки с первой ступенью управляющих элементов 13.
Корпус 5, опорная 11 и управляющая 7 втулки имеют продольные вырезы для выхода режущего стержня, оппозитно которым расположен узел прижатия устройства к стенке, представленный подпружиненным телом вращения 10, расположенным в специальных вырезах корпуса и управляющей втулки.
Устройство работает следующим образом:
Гидравлический двигатель на трубах или совмещенный с гидронасосом электродвигатель (узел вращения 2) создают крутящий момент и расход жидкости, причем чем выше крутящий момент, тем ниже обороты двигателя и расход жидкости (в этом плане характеристики гидравлического двигателя объемного типа и электродвигателя, имеющего на валу гидронасос, совпадают). Крутящий момент с узла вращения 2 посредством шарнирной передачи 6 передается на режущий стержень 9, а расход жидкости, преобразованный на сужающем устройстве 4 в перепад давления, который, фиксируя устройство на точке резания (якорный узел 3) и сжимая пружину управляющей втулки 12, через взаимодействие конструктивных элементов преобразуется в усилие прижатия режущего стержня к стенке скважины. Взаимодействие режущего стержня с эксплуатационной колонной и породой увеличивает крутящий момент на узле вращения, обороты двигателя и подача жидкости уменьшаются, что приводит к уменьшению перепада давления на узле обратной связи, уменьшению усилия прижатия режущего стержня к стенке скважины. При этом уменьшается крутящий момент, увеличиваются расход жидкости, перепад давления на узле обратной связи и усилие прижатия режущего стержня к стенке, что приводит к повышению крутящего момента. Таким образом, для конкретных узла вращения 2 и режущего стержня 9 подбором параметров сужающего элемента 4 и пружины управляющей втулки 12 можно достичь оптимального режима резания. В конце цикла резания, когда угол отклонения режущего стержня становится предельным, а управляющая втулка доходит до ограничения, крутящий момент падает, обороты двигателя растут, и на поверхности отмечается снижение давления нагнетания или снижение нагрузки на электродвигатель. Возврат устройства в транспортное положение и снятие с якоря осуществляются остановкой циркуляции (отключением питания электродвигателя). Давление срабатывания якоря и жесткость пружины управляющей втулки подбираются такими, чтобы снятие с якоря происходило после возврата режущего стержня в транспортное положение. Благодаря введению новой кинематической связи шарового шарнира с управляющей втулкой и корпусом устройства возврат режущего стержня в транспортное положение производится принудительно и со значительным усилием, обеспеченным жесткостью пружины 12. Кроме того, выход режущего стержня из прибора сопоставим не с радиусом устройства (дисковые фрезы), а как минимум с диаметром.
Устройство для вскрытия пласта, содержащее корпус, подвеску корпуса в виде колонны труб, режущий стержень, расположенный напротив продольных вырезов корпуса, управляющей и опорной втулок, расположенный с возможностью вращения в шаровом шарнире, узел вращения в виде гидравлического двигателя, узел подачи режущего стержня, представленный шаровым шарниром в виде усеченного сверху и с боков шара, опирающегося на опорную втулку и взаимодействующего с подпружиненной управляющей втулкой посредством управляющих элементов, якорный узел, выполненный в виде гидравлического якоря, узел передачи вращения в виде шарнирной передачи, узел обратной связи в виде сужающего элемента, расположенного в кольцевом зазоре между управляющей втулкой и валом узла вращения, узел прижатия устройства к стенке скважины в виде пружинной пластины и тела вращения, расположенного в отверстии корпуса и фигурном вырезе управляющей втулки противоположно продольному вырезу, отличающееся тем, что управляющие элементы, обеспечивающие подачу режущего стержня и возврат устройства в транспортное положение путем взаимодействия шарового шарнира с управляющей втулкой и корпусом, представлены двухступенчатыми фигурными выступами на боковых усечениях шарового шарнира, взаимодействующими с вырезами в управляющей втулке и корпусе, а колонна труб и гидравлический двигатель подвески и узла вращения при необходимости заменяются кабелем и совмещенным с гидравлическим насосом электродвигателем.
