Скважинный перфоратор

СКВАЖИННЫЙ ПЕРФОРАТОР (СП) относится к устройствам для перфорации обсадных колонн скважин с целью оптимизации и/или интенсификации притока и добычи флюида.

СП содержит полый корпус с размещенными в нем поршнем-толкателем и коромыслом с поперечной корпусу осью. Коромысло размещено в продольном окне нижней части корпуса и снабжено установленными в его плечах накатными дисками-ножами; имеется также механизм силового перемещения коромысла СП в рабочее положение выполненный в виде контактного сопряжения поршня-толкателя с верхним окончанием коромысла; клиновая поверхность поршня-толкателя при перемещении его обеспечивает коромыслу с дисками-ножами отклонение от продольного исходного состояния. СП содержит гидромониторные насадки для очистки каждой щели, выполняемой соответствующим насадке диском-ножом. Насадки гидравлически сообщены посредством канала с полостью корпуса, а в канале выполнены посадочные седла под запорные шары. Одно седло размещено в канале в верхней части корпуса, а другое - в канале в поршне-толкателе над гидромониторными насадками. Механизм возврата коромысла в корпус, в исходное положение, содержит консольно зажатый в нижней части корпуса пакет упругих пластин, свободным концом контактирующий с нижним концом коромысла и противодействующий отклонению последнего от продольного, по корпусу, положения.

СП, как полезная модель, отличается от известной конструкции-прототипа исполнением накатных дисков-ножей, исполнением механизмов перемещения дисков-ножей в рабочее положение и обратно, исполнением нижней части корпуса для беспрепятственного оседания на забой разрушенных перфорацией материалов (стружки металла обсадной трубы, крошки цементного камня и горной породы).

СП обладает повышенными работоспособностью, надежностью, эффективностью и простотой в эксплуатации. 2 з.п.ф., 4 ил.

Полезная модель относится к устройствам для создания продольных щелей в стенке обсадной трубы и создания полости в продуктивном пласте-коллекторе за обсадной колонной скважины с целью оптимизации и/или интенсификации притока и добычи флюида, преимущественно многокомпонентной смеси углеводородов, то есть нефти с так называемым попутным газом.

Уровень техники по данному направлению характеризуется целым рядом технических решений, известных из патентной документации: SU 883351 А 23.11.81; SU 1337 А 15.09.87; SU 1668640 А1 07.08.91; SU 1776772 А1 23.11.92; SU 1789674 А1 23.01.93; SU 2043486 С1 10.09.96; SU 2151858 Е21В 43/114 2000; RU 2007549 C1 16.02.94; RU 2030563 С1 10.03.95; RU 2038527 С1 27.06.96; RU 2039220 С1 09.07.95; RU 2070279 С1 10.12.96; RU 2070958 С1 27.12.96; RU 2087683 С1 20.08.97; RU 2105137 С1 20.02.98; RU 2129209 C1 20.04.99; RU 2151858 С1 07.12.98; RU 2161697 С2 07.04.99; RU 2180038 С2 22.05.00; RU 2182221 C1 11.04.01; RU 2205941 С1 08.08.01; 2232876 С1 17.12.02; RU 2244806 С1 20.01.05; RU 2247226 С1 15.08.03; RU 2249678 С2 16.06.03; RU 2254451 C1 20.06.05; RU 2256066 С2 12.09.03; RU 2315177 С1 20.01.08; RU 2348797 С1 10.03.09; US 4106561 А 15.08.78; US 4119151 А 10.10.78; US 4220201 А 02.09.80; US 4392527 А 12.07.83; US 4557331 А 10.12.85, причем изначальным мотивом создания и совершенствования устройств и способов подобной перфорации обсадных колонн скважин послужила общеизвестная в металлообработке так называемая «накатка» на поверхности металла более прочными и твердыми роликами (или дисками) рисок или канавок определенной формы и глубины за счет пластической деформации, то есть без снятия металла. Однако при приложении значительных усилий прижатия накатного элемента (ролика или диска с острой кромкой), пластическая деформация металла заканчивается разрушением подвергаемого накатке металлического листа или отрезка трубы по траектории канавки. Этот общеизвестный эффект разрушения трубы, сначала в режиме пластической деформации металла под накатным элементом, а затем в режиме локального разрыва стенки, появления трещины и образования, в итоге, продольной щели на современном этапе развития техники и технологии работ по интенсификации притока признан наиболее эффективным как при освоении впервые вводимой в эксплуатацию скважины, так и при вторичных методах интенсификации добычи нефти из длительно эксплуатируемого фонда скважин.

Следует отметить, что все аналоги заявляемого устройства содержат, как правило, полый корпус, накатной элемент (ролик/диск), механизм перемещения накатного элемента из транспортного положения в рабочее и обратно, механизм нагружения накатного элемента для его вдавливания в стенку трубы при возвратно-поступательных перемещениях перфоратора в обсадной колонне, а также гидравлически сообщаемую с полым корпусом гидромониторную насадку, ориентированную каналом по плоскости рабочей кромки накатного элемента. Доставка в скважину, приведение в рабочее положение и последующее, после работы, извлечение устройства обратно производится на колонне (сборке) насосно-компрессорных труб (НКТ); по ним же от наземного насосного агрегата высокого давления (порядка десятков МПа) осуществляются: силовое нагружение накатного элемента, штатная циркуляция промывочного агента и обеспечение соответствующего режима истечения последнего из гидромониторной насадки устройства при размыве цементного камня и породы продуктивного пласта за обсадной колонной.

К недостаткам известных технических решений-аналогов должно отнести такие, как, например, недостаточная работоспособность в связи с наличием только одного накатного диска в изделии (патенты РФ 2151858, 2161697, 2180038, 2182221, 2232876); гидромониторные насадки не обеспечивают эффективное разрушение породы за обсадной колонной из-за нерационального их размещения (патенты РФ 2161697, 2180038, 2182221, 2232876, 2247226); конструктивное взаиморасположение (компоновка) узлов и элементов устройства (патенты РФ 2180038, 2247226) не обеспечивает оптимальных параметров накатных дисков, которые должны быть по диаметру практически равны диаметру корпуса, а по толщине рабочей части, внедряемой в тело обсадной трубы, не более 10-15 мм. Кроме того, практически все известные устройства являются устройствами одноразового использования и, после извлечения, идут или в утилизацию (металлолом), или подвергаются подетальной дефектоскопии и переборке в специализированном подразделении соответствующего сервисного центра для исключения производственных рисков и проведения в дальнейшем каких-либо дополнительных и/или дублирующих операций в скважине. Все изложенное связано, соответственно, со значительными материальными затратами и потерей времени, то есть в конечном итоге со снижением конкурентоспособности пользователя.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) по совокупности существенных признаков и функциональному предназначению является устройство (RU 2249678 С2 16.06.03), содержащее полый корпус с продольным по диаметральной плоскости вырезом-окном, коромысло с поперечной корпусу осью, два накатных диска, по одному, соответственно, в каждом из концов коромысла, причем последнее состоит из двух взаимопараллельных и скрепленных пластин, между которыми на осях размещены накатные диски. В полом корпусе размещен силовой механизм для выдвижения (поворотом коромысла вокруг оси на некоторый угол) и контакта накатных дисков с обсадной колонной, вдавливания рабочих кромок последних в обсадную трубу в зоне перфорации и для возврата коромысла с накатными дисками в штатное транспортное положение вдоль корпуса. Этот механизм состоит из соосного корпусу поршня со штоком, оканчивающимся в вырезе-окне корпуса клиновидным вилкообразным элементом, охватывающим верхний накатный диск, а клиновой поверхностью контактирующий с концевой частью коромысла. Шток этого механизма имеет центральный канал с седлом под сбрасываемый с поверхности запорный шар, а также две гидромониторные насадки, сообщенные, каждая, своим каналом в теле штока с надпоршневой частью полости корпуса. Корпус, соответственно, снабжен присоединительной резьбой для подвешивания перфоратора на колонне НКТ, а его полость сообщена при этом с полостью колонны.

К недостаткам известного перфоратора можно отнести то, что не оптимизированы форма накатных дисков-ножей, а также процесс щелеобразования по телу трубы и надежное позиционирование корпуса при гидромониторной стадии перфорации обсадной колонны. К тому же анализ геометрических форм узлов и деталей перфоратора, их взаимосвязей и конкретного исполнения допускает их усовершенствование и возможность существенного улучшения потребительских свойств известного устройства.

Технической задачей полезной модели, то есть требуемым техническим результатом предлагаемого устройства, является повышение потребительских свойств известной конструкции путем оптимизации его узлов и деталей, их взаимосвязей при повышении надежности работы и большем удобстве эксплуатации.

Поставленная задача решена тем, что известный перфоратор, содержащий полый корпус с размещенными в нем поршнем-толкателем и коромыслом, выдвижные, из корпуса, накатные диски-ножи для создания продольных щелей в обсадной колонне, каждый из которых позиционирован в корпусе по его диаметральной плоскости, причем диски-ножи установлены, соответственно, в плечах коромысла, механизм поворота коромысла (для силового радиального перемещения дисков-ножей в процессе перфорации) и механизм возврата их в корпус в исходное положение (после завершения перфорации), а также гидромониторные насадки для разрушения и удаления металлической стружки и раскрошенного заколонного материала, сообщенные каналами с полостью корпуса, снабжен элементами-ограничителями поворота коромысла - при перемещении в корпусе поршня-толкателя, контактирующего с одним из концов коромысла - в виде ступицы с штатными, заранее заданными ее наружным диаметром и размером по оси каждого из дисков-ножей, при этом тело каждого диска-ножа выполнено ступенчато убывающим по толщине от ступицы к его клиновидной рабочей кромке по обе стороны плоскости симметрии, а механизм возврата дисков-ножей в исходное положение выполнен в виде пакета упругих пластин, расположенных в нижней части корпуса, причем этот пакет одним концом, то есть консольно, жестко закреплен в корпусе, а другой конец пакета подвижно контактирует с нижним концом коромысла с возможностью упругого противодействия отклонению последнего от его исходного, по оси корпуса, положения.

Сопоставительный анализ предлагаемого перфоратора, как совокупности существенных признаков (в том числе и отличительных), с решениями, известными из нормативно-технической и патентной документации, позволяет утверждать, что объект соответствует всем критериям полезной модели, то есть критериям «новизна» и «промышленная применимость».

На графических материалах приведены, соответственно, на фигуре 1 - общий вид перфоратора, продольный разрез по диаметральной плоскости, с исходным (транспортным) положением накатных дисков-ножей; на фигуре 2 - то же, но с положением накатных дисков-ножей перфоратора в конце процесса формирования щелей в обсадной колонне; на фигуре 3 - фрагмент коромысла по А-А с верхним накатным диском-ножом (увеличено), на фигуре 4 - фрагмент поперечного сечения режущих кромок накатного диска-ножа.

Перфоратор (см. фиг 1 и 2) состоит из полого корпуса 1 с размещенным в нем поршнем-толкателем 2 и коромыслом 3, в плечах которого находятся накатные диски-ножи 4 и 5, которые служат для создания щелей в обсадной колонне; клиновых толкателей 6, служащих для поворота коромысла на угол «» относительно геометрической оси 0-0 корпуса 1; механизм возвратного перемещения коромысла в исходное, продольное по геометрической оси 0-0 корпуса 1, состоящего из набора пластинчатых пружин, опирающихся одним концом на плечо поворотного коромысла 3, а с другого конца зажатого в корпусе 1 перфоратора; двух гидромониторных насадок 8 и 9 в теле нижнего поршня 2, гидравлически сообщенные посредством каналов 10 и 11 с надпоршневыми полостями корпуса, посадочных седел 12 и 13 под сбрасываемые с наземной поверхности шары (посадочное седло 13 размещено в верхней части корпуса, а седло 12 - в центральном канале 14 нижнего поршня 2). Под верхним поршнем 15 размещены, как минимум, две пружины сжатия 17, 18 цилиндрической навивки, являющиеся механизмом возврата поршней 2 и 15 в исходное положение в корпусе. Механизм возврата коромысла в исходное положение выполнен в виде пакета упругих пластин, расположенных в нижней части корпуса. Пакет одним концом, то есть консольно, жестко закреплен в корпусе, а другим концом подвижно контактирует с нижним плечом коромысла 3 с возможностью упругого противодействия отклонению последнего от его исходного, вдоль корпуса, положения. В нижней части корпуса выполнен канал 19 для беспрепятственного оседания продуктов перфорации на забой скважины. Боковые поверхности каждого из накатных дисков 4 и 5 в пределах их рабочей перфорирующей части выполнены в виде концентрических уступов 20, имеющих режущие кромки для обеспечения расширения прорезаемого паза (см. фиг.3). Накатные диски-ножи 4 и 5 имеют ступицы 21 заданного наружного диаметра D и ширины L для обеспечения ограничения выдвижения накатного диска в процессе прорезания и разширения щели в перфорируемой колонне путем упора ступицы в стенку прорезаемой трубы.

Перфоратор работает следующим образом. Подвешенный, посредством соединительной резьбы корпуса на нижнюю трубу колонны насосно-компрессорных труб (НКТ), перфоратор размещают в зоне перфорируемой обсадной трубы скважины. Поскольку на обоих концах перфоратора имеются центрирующие элементы, то перфоратор позиционируется практически коаксиально обсадной трубе с незначительным зазором/люфтом. Осуществляют прямую промывку/циркуляцию по стволу через центральный канал перфоратора, при этом противодействие пружин сжатия между корпусом и поршнем и пакета упругих пластин, контактирующих с нижним окончанием коромысла удерживает и поршень-толкатель от осевого перемещения вниз, и коромысло от поворота в окне корпуса, так как существующего гидравлического сопротивления центрального канала перфоратора заведомо недостаточно. Для вывода накатных дисков-ножей из окна корпуса в рабочее положение центральный канал перфоратора перекрывают первым сбрасываемым запорным шаром, который садится в седло, выполненное в центральном канале нижнего поршня под отводными каналами на гидромониторные насадки (см. фиг.2). При закрытом центральном канале увеличивают подводимую к перфоратору гидравлическую энергию, и коромысло под силовым воздействием поршня-толкателя, опускающегося в корпусе, выводит накатные диски-ножи из окна до контакта их рабочих кромок с перфорируемой трубой и нагружает диски нормальным к стенке обсадной трубы усилием вдавливания. Накатные диски-ножи начинают формировать две диаметрально противоположные щели при возвратно-поступательных перемещениях колонны НКТ, при этом процесс перфорации характеризуется стабильностью нагрузки на диски в пределах установленных режима подачи гидравлической энергии к перфоратору и режима его возвратно-поступательных перемещений, характеризуемого их амплитудой, скоростью движения и тягового усилия на крюке наземного агрегата. Факт состоявшегося выхода дисков перфоратора за пределы обсадной колонны, то есть факт образования щелей достоверно и однозначно регистрируется диаграммой записи давления закачки жидкости и диаграммой записи усилия на подвеске колонны НКТ в режиме реального времени. Жесткое позиционирование перфоратора в колонне обеспечивает безусловный и практически одновременный выход обоих накатных дисков-ножей в созданные ими щели до упора ступиц в стенку обсадной трубы, то есть особенности конструкции однозначно ограничивают необходимую и достаточную (то есть штатную) величину выхода в щель каждого из накатных дисков-ножей. При гидромониторном разрушении цементного камня и породы за колонной накатные диски-ножи выполняют две функции, одна из которых - позиционировать гидромониторные насадки строго по щели в обсадной трубе, а другая - дополнительная очистка и зачистка щели и кромки этой трубы ступенчато выполненными участками боковых режущих поверхностей накатных дисков-ножей. Перемещением перфоратора по стволу осуществляют гидромониторное разрушение цементного камня и горной породы за обсадной колонной, после чего снимают избыточное давление в колонне НКТ, расхаживают последнюю до возвращения коромысла с накатными дисками-ножами в их транспортное положение в корпусе перфоратора, что легко отслеживается по показаниям индикатора веса на крюке наземного агрегата. Далее следует извлечение колонны НКТ из скважины, диагностика состояния узлов и элементов перфоратора и подготовка последнего к дальнейшей эксплуатации.

Следует отметить, что в практике работ по освоению скважин появилась тенденция не поднимать перфоратор, оставляя его на конце колонны НКТ, если скважина после перфорации обеспечивает добычу нефти в режиме фонтанирования. В этом случае и разработчик, и изготовитель подобных изделий заинтересован в их максимальном упрощении и удешевлении при обеспечении одноразового, но надежного, срабатывания.

Конкретным вариантом реализации перфоратора может служить разработанная заявителем конструкция со следующими параметрами (на примере устройства для работы в обсадной колонне из труб диаметром 146 мм по ГОСТ 632-86):

1. Скважинный перфоратор, содержащий полый корпус с размещенными в нем поршнем-толкателем и коромыслом, выдвижные из корпуса накатные диски-ножи для создания продольных щелей в обсадной колонне, каждый из которых позиционирован в корпусе по его диаметральной плоскости, причем диски-ножи установлены соответственно в плечах коромысла, механизм поворота коромысла для силового радиального перемещения дисков-ножей в процессе перфорации и механизм возврата их в корпус в исходное положение - после завершения перфорации, а также гидромониторные насадки для разрушения и удаления металлической стружки и раскрошенного заколонного материала, сообщенные каналами с полостью корпуса, отличающийся тем, что он снабжен элементами-ограничителями поворота коромысла - при перемещении в корпусе поршня-толкателя, контактирующего с одним из концов коромысла - в виде ступицы каждого из дисков-ножей, штатных, заранее заданных наружного диаметра D и размера по оси L, при этом тело каждого накатного диска-ножа выполнено ступенчато убывающим по толщине от ступицы к его рабочей кромке по обе стороны плоскости симметрии, а механизм возврата накатных дисков-ножей в исходное положение выполнен в виде пакета упругих пластин, расположенных в нижней части корпуса, причем этот пакет одним концом, то есть консольно, жестко закреплен в корпусе, а другой конец пакета состоит в подвижном контакте с нижним концом коромысла с возможностью упругого противодействия отклонению последнего от его исходного по оси корпуса положения.

2. Скважинный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что боковые поверхности каждого из накатных дисков в пределах их рабочей перфорирующей части выполнены в виде концентрических уступов, имеющих режущие кромки для обеспечения расширения прорезаемого паза.

3. Скважинный перфоратор по п.1, отличающийся тем, что в нижней части корпуса перфоратора выполнен канал для беспрепятственного оседания на забой разрушенных перфорацией материалов.