Перфоратор гидромеханический многощелевой режущего действия
Полезная модель относится к области бурения и эксплуатации нефтяных, газовых и нагнетательных скважин, а именно к устройству для создания продольных перфорационных щелей в обсадной (эксплуатационной) колоннах, цементном камне и горной породе. Технический результат заключается в возможности выполнения многощелевой перфорации, в том числе, одновременно в различных требуемых радиальных направлениях, при снижении усилий на перемещение перфоратора за счет отсутствия контакта корпуса с колонной, а также в обеспечении технологичности перфоратора при его эксплуатации и ремонте, и при центрирования перфоратора в трубе, а также обеспечение простоты и надежности конструкции. Сущность: Перфоратор содержит корпус 1, поршень-толкатель 2, отклоняющий клин 3 и выдвижной режущий инструмент, в виде установленного на оси 4 режущего диска 5 с механизмом его выдвижения, выполненным с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3. В корпусе 1 под поршнем-толкателем 2 установлен модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих цилиндров 6, в стенке каждого из которых выполнен сквозной продольный вырез 7. Под указанным модулем установлена возвратная пружина 8. Между нею и нижним рабочим цилиндром 6 в модуле установлен поршень-упор 9. Рабочие цилиндры 6 в модуле следует размещать таким образом, чтобы ориентирование сквозных продольных вырезов 7, по меньшей мере, у двух рабочих цилиндров 6 в модуле было выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга. Указанный модуль размещен с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя 2 в одном направлении, а в обратном направлении - под действием пружины 8. Внутри каждого из рабочих цилиндров 6 установлен выдвижной режущий инструмент с механизмом его выдвижения через сквозной продольный вырез 7. Механизм выдвижения режущего инструмента в предлагаемом перфораторе выполнен в виде смонтированного на оси 10 одноплечего рычага 11, выполненного, например, в виде двух пластин. В плече рычага 11 установлена ось 4 режущего диска 5. Механизм выдвижения режущего инструмента выполнен с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3. Количество отклоняющих клиньев 3 соответствует количеству рабочих цилиндров 6 в модуле с установкой по одному отклоняющему клину 3 в зоне взаимодействия с механизмом выдвижения режущего инструмента из каждого рабочего цилиндра 6. В поршне-толкателе 2 выполнен гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой 12. 1 н.п. ф-лы; 2 з.п. ф-лы; 1 ил.
Полезная модель относится к области бурения и эксплуатации нефтяных, газовых и нагнетательных скважин, а именно к устройству-перфоратору для создания продольных многощелевых отверстий в обсадной (эксплуатационной) колоннах, цементном камне и горной породе.
Известен гидромеханический скважинный щелевой перфоратор по патенту РФ 
2182221, кл. Е21В 43/114, от 2002 г. Перфоратор содержит корпус, режущий инструмент в виде накатного диска, гидромониторную насадку, полый шток-фильтр, расположенный в двух гидроцилиндрах, поршень-толкатель с гидроканалами, связанный с осью накатного диска, расположенной в направляющих пазах боковых пластин, которые охватывают клиновой паз, содержащий съемные пластины. Его составные детали просты в изготовлении и легко заменяемы.
Недостатками приведенного перфоратора является быстрый износ рабочих деталей и возможность работы лишь в одной проекции. Кроме того, при одностороннем воздействии режущего инструмента на эксплуатационную колонну возникает усилие прижима перфоратора к ней, требующее дополнительных усилий на преодоление силы трения при перемещении его вверх-вниз и приводящее к его быстрому износу. Вместе с этим, конструкция известного перфоратора довольно сложна, что снижает его надежность и технологичность при эксплуатации.
Также известен перфоратор двухсторонний гидромеханический щелевой (Патент РФ 2327859, Кл. Е21В 43/112, от 2006 г.), содержащий корпус, в котором размещены поршень-толкатель и выдвижной режущий инструмент в виде верхнего и нижнего режущих дисков с возможностью выполнения двух диаметрально расположенных щелей в колонне, при этом каждый диск расположен на своей оси. Механизм их выдвижения выполнен в виде коромысла, смонтированного на центральной оси. Коромысло выполнено с возможностью поворота при перемещении поршня-толкателя. В плечах коромысла на разном расстоянии от центральной оси установлены оси режущего диска. Длина плеча коромысла до оси верхнего диска меньше, чем длина плеча коромысла до оси нижнего диска.
Недостатком указанного известного устройства является возникновение вероятности заклинивания коромысла в раскрытом состоянии при попадании стружки от трубы, что может привести к аварии на скважине, застревании перфоратора, вследствие чего имеется вероятность ликвидации скважины.
Кроме того, самым слабым узлом известного устройства являются верхний и нижний клин, при поломке которых, устройство перестает работать. Клинья ломаются из-за ударных нагрузок при продавливании колонны.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является гидромеханический скважинный перфоратор (Патент РФ 2230182, кл. Е21В 43/112, от 2004 г), содержащий составной корпус, выдвижной режущий инструмент в виде накатного ролика, установленного на направляющих, механизм подачи режущего инструмента, циркуляционный клапан и гидромониторную насадку, причем в накатном ролике выполнены на режущей кромке радиальные канавки, расположенные по окружности, а входная кромка канала гидромониторной насадки выполнена с кривизной, радиус которой равен толщине ее стенки.
Недостатками известного устройства являются следующие:
- возможность выполнения перфорационной щели при работе лишь в одной проекции, что снижает производительность;
- одностороннее воздействие режущего инструмента на обсадную колонну приводит к возникновению усилия прижима перфоратора к ней, требующее дополнительных усилий на преодоление силы трения при перемещении его вверх-вниз и приводящее к его быстрому износу;
- сложность конструкции, что снижает надежность и технологичность перфоратора в целом;
- сложность замены режущего инструмента;
- недостаточный выход дисков из перфоратора, из-за чего при износе дисков снижается вероятность разрезания трубы на больших интервалах.
Технический результат, который обеспечивает предлагаемая полезная модель, заключается в возможности выполнения многощелевой перфорации, в том числе, одновременно в нескольких требуемых радиальных направлениях, при снижении усилий на перемещение перфоратора за счет отсутствия контакта корпуса с колонной, а также в обеспечении технологичности перфоратора при его эксплуатации и ремонте, и при центрирования перфоратора в трубе.
Дополнительным техническим результатом является обеспечение простоты и надежности конструкции.
Указанный технический результат достигается предлагаемым перфоратором гидромеханическим многощелевым режущего действия, содержащим корпус с размещенными в нем поршнем-толкателем, в котором выполнен гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой, отклоняющим клином и выдвижным режущим инструментом, в виде установленного на оси режущего диска с механизмом его выдвижения, выполненным с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином, при этом, согласно полезной модели, в корпусе перфоратора под поршнем-толкателем дополнительно установлены модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих цилиндров, и возвратная пружина, при этом указанный модуль размещен в корпусе с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратной пружины, внутри каждого из указанных рабочих цилиндров установлен выдвижной режущий инструмент с механизмом его выдвижения через сквозной вырез, выполненный в стенке рабочего цилиндра, причем механизм выдвижения режущего инструмента выполнен в виде смонтированного на оси одноплечего рычага, в плече которого установлена ось режущего диска, при этом количество отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе, соответствует количеству рабочих цилиндров в модуле, с установкой по одному отклоняющему клину в зоне взаимодействия с механизмом выдвижения режущего инструмента рабочего цилиндра, при этом ориентирование сквозных продольных вырезов, по меньшей мере, у двух рабочих цилиндров в модуле выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга.
Сквозной продольный вырез в рабочем цилиндре выполнен в виде прямоугольника или овала.
Между модулем и возвратной пружиной дополнительно размещен поршень-упор.
Достижение поставленного технического результата обеспечивается за счет следующего.
Благодаря тому, что в корпусе перфоратора под поршнем-толкателем дополнительно установлен подвижный в продольном направлении модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих полых цилиндров (возможно их устанавливать до 10 штук) с размещенными внутри режущими инструментами, появляется возможность производить одновременно многощелевую перфорацию обсадной (эксплуатационной) колонны в скважине.
Наличие в стенках рабочих цилиндров сквозных продольных вырезов позволяет при установке различных (как соседних, так и других) рабочих цилиндров ориентировать эти вырезы в необходимых радиальных направлениях, т.е. с их поперечным угловым смещением (сдвигом) друг относительно друга, благодаря чему и обеспечивается возможность одновременно формировать перфорационные щели в различных радиальных направлениях, т.е. в различной проекции и со сдвигом в продольном направлении.
Выполнение в предлагаемом перфораторе механизма выдвижения режущего инструмента в виде смонтированного на оси одноплечего рычага, в плече которого установлена ось режущего диска, обеспечивает наряду с простотой конструкции и ее технологическую надежность, т.к. отсутствует эффект переламывания рычага по воздействием противоположных сил (по сравнению с коромыслом у известного перфоратора), а так же простоту складывания перфоратора.
Благодаря тому, что модуль, состоящий из ряда рабочих цилиндров, в предлагаемом перфораторе размещен в корпусе с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратной пружины, обеспечивается простота работы, т.е. раскладывание и складывание перфоратора, легкого перемещения модуля внутри трубы.
Наличие в предлагаемом перфораторе количества отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе (клинья закреплены на корпусе), равным количеству рабочих цилиндров в модуле, обеспечивает работоспособность конструкции и возможность выхода режущего инструмента из каждого рабочего цилиндра через сквозной вырез к месту выполнения перфорационного отверстия. Благодаря этому достигается одновременное разрезание трубы в различных плоскостях (проекциях), легкость эксплуатации работы, минимальное трение перфоратора о стенку трубы, а также одновременное складывание рычагов перфоратора.
Установка поршня-упора между модулем и возвратным узлом позволяет обеспечить полную передачу усилия возвратной пружины на модуль для возвращения последнего в исходное положение.
Обеспечение технологичности заявляемого перфоратора при его ремонте достигается за счет простоты замены режущего узла по всей длине модуля или рабочего цилиндра режущего узла, при этом операция производится одновременно.
А придание технологичности при центрировании предлагаемого перфоратора в обсадной трубе обеспечивается за счет наличия нескольких режущих узлов или рычагов и зон контакта с трубой, и как следствие уменьшение силы трения о внутреннюю стенку трубы корпусом перфоратора и легкость перемещения его при разрезании трубы (контактирует со стенкой трубы только режущими дисками).
В предлагаемом перфораторе могут быть использованы режущие диски различной конструкции, например, с увеличенной твердостью, со специальным покрытием, с различным углом заточки и фрезерующими или сострагивающими насечками, также режущий инструмент может быть выполнен различной формы круг, многоугольник и т.д., что делает его универсальным по этому показателю по отношению к известным перфораторам.
В заявляемом перфораторе поршень-толкатель может быть выполнен с одним, двумя и более боковыми гидроканалами и соответственно с несколькими гидромониторными насадками. Каналы и насадки устанавливаются в том же направлении, что и режущие диски.
Заявляемый перфоратор иллюстрируется чертежом, где изображен общий вид перфоратора в сборе.
Перфоратор содержит корпус 1, поршень-толкатель 2, отклоняющий клин 3 и выдвижной режущий инструмент, в виде установленного на оси 4 режущего диска 5 с механизмом его выдвижения, выполненным с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3. В корпусе 1 перфоратора под поршнем-толкателем 2 установлен модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих цилиндров 6, в стенке каждого из которых выполнен сквозной продольный вырез 7 (также в стенке цилиндра могут быть выполнены технологические отверстия, например, для исключения помех со стороны отклоняющего клина при продольном перемещении модуля и т.п. Может быть выполнен и один вырез 9, но большого размера или один фигурный вырез). Ниже указанного модуля в корпусе 1 установлен возвратный узел 8, выполненный в виде возвратной пружины. Между возвратным узлом 8 и нижним рабочим цилиндром 6 в модуле установлен поршень-упор 9. Рабочие цилиндры 6 в модуле в зависимости от требуемого направления перфорации предпочтительно размещать таким образом, чтобы ориентирование сквозных продольных вырезов 7, по меньшей мере, у двух рабочих цилиндров 6 в модуле было выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга (т.е. ориентировать эти вырезы в требуемых радиальных направлениях с их поперечным угловым смещением (сдвигом) друг относительно друга). На чертеже модуль состоит из трех рабочих цилиндров 6, причем сквозной вырез 7 у верхнего ориентирован влево, средний - с поперечным угловым смещением относительно первого приблизительно на 45°, нижний - к зрителю, т.е. угловое смещение у каждого последующего 45° по сравнению с предыдущим, а у первого по отношению к третьему - 90°. Этот модуль на чертеже выполнен с возможностью выполнения трех перфорационных щелей в трех направлениях. Но соседние рабочие цилиндры 6 в модуле могут быть установлены и с поперечным угловым смещением вырезов 7 этих рабочих цилиндров друг относительно друга на угол 360°. В этом случае перфорация производится путем выполнения длинной щели (без дополнительной замены режущего узла) в одном радиальном направлении двумя режущими дисками одновременно.
Указанный модуль (а значит, и вся система рабочих цилиндров 6) размещен в корпусе 1 с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя 2 в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратной пружины 8. Внутри каждого из указанных рабочих цилиндров 6 установлен выдвижной режущий инструмент с механизмом его выдвижения через сквозной продольный вырез 7. Механизм выдвижения режущего инструмента в предлагаемом перфораторе выполнен в виде смонтированного на оси 10 одноплечего рычага 11, выполненного, например, в виде двух пластин. В плече рычага 11 установлена ось 4 режущего диска 5. Механизм выдвижения режущего инструмента выполнен с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином 3. Количество отклоняющих клиньев 3 соответствует количеству рабочих цилиндров 6 в модуле с установкой по одному отклоняющему клину 3 в зоне взаимодействия с механизмом выдвижения режущего инструмента из каждого рабочего цилиндра 6. В поршне-толкателе 2 выполнен гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой 12. Кроме того, в поршне-толкателе 2 еще есть центральный канал, который перед работой перфоратора тушится шаром и тогда нагнетается давление и начинается движение поршня-толкателя.
Предлагаемый перфоратор работает следующим образом.
На колонне насосно-компрессорных труб (НКТ) (на чертеже не показаны) перфоратор спускают в скважину к требуемому месту по длине ствола. Создают давление в гидроцилиндре (в конструкции предлагаемого перфоратора возможно установление последовательно, например, двух гидроцилиндров, в случае необходимости создания повышенного давления), под действием которого поршень-толкатель 2 начинает поступательно перемещаться и начинает толкать верхний рабочий цилиндр, к месту разрезки, т.е. к своему рабочему состоянию. Установив перфоратор в скважине, проводят прямую промывку полости труб и полости перфорационного устройства от окалины и механических примесей, которые попадают в полость труб во время геофизических работ по привязке устройства к интервалу резки. Затем в полость труб опускают шарик диаметром 19 мм, который, проходя через подвеску НКТ, рециркуляционный клапан 13 и полый шток-фильтр, опускается в посадочное гнездо шток-фильтра, который установлен в поршне-толкателе 2, и перекрывает центральный канал поршня-толкателя 2, после чего в НКТ создается рабочее давление. При создании рабочего давления в полости труб жидкость воздействует на поршень, одновременно проходя через отверстия в шток-фильтре 14, воздействует на полость нижнего гидроцилиндра, перемещая поступательно поршень и поршень-толкатель 2. При этом указанный поршень-толкатель 2 воздействует на модуль, а значит - на рабочие цилиндры 6, которые перемещаются вниз. При этом нижний рабочий цилиндр 6 в модуле нижним краем упирается в поршень-упор 9, сжимая пружину, и передвигаясь поступательно вдоль продольной оси устройства. В рабочих цилиндрах 6 на осях 10 установлены рычаги 11 режущих дисков 5 в различной направленности (зависит от задачи в скольких проекциях необходимо резать трубу) в зависимости от радиальной направленности вырезов 7 в стенках цилиндров 6. При перемещении рабочих цилиндров 6 вниз, рычаги 11 режущих дисков 5, находящиеся на отклоняющих клиньях 3, скользя по ним, начинают выдвигаться через сквозные продольные вырезы 7 из рабочего цилиндра 6 (а также выдвигать далее через вырезы в корпусе устройства) до упора с обсадной (эксплуатационной) колонной. Прорезание щелей в колонне производится попеременным перемещением перфорационного устройства, находящегося под давлением (например, от 20 до 150 атм. и при ступенчатом повышении его), вверх и вниз на длину щели. После образования щелей в колонне (их количество и радиальная направленность будет зависеть от количества рабочих цилиндров 6 и от пространственной направленности вырезов 7) давление в полости труб поднимают, и реализуется гидромониторный эффект струи. При этом струи жидкости, выходящие через гидромониторные насадки 12, с большой скоростью разрушают своим напором цементный камень и породу за колонной, намывают каверну по всей длине щелей. После намыва каверны давление в трубах сбрасывается до атмосферного. Под действием возвратной пружины 8 и поршня-упора 9, модуль, а значит рабочие цилиндры 6, перемещается вверх. При этом режущие диски 5 с рычагами 11 через вырезы 7 втягиваются в рабочие цилиндры 6 и режущий инструмент в сборе.
После этого в полость НКТ опускается шар большого диаметра - 40 мм, который садится в седло 15 сбивного клапана 16. Подняв давление в трубах, производят срез штифтов сбивных клапанов, фиксирующих передвижение седла клапана вдоль оси перфорационного устройства, и седло клапана перемещается вниз, открывая промывочное устройство в корпусе. После чего производят освоение, или глушение скважины, или подъем устройства из нее.
Технико-экономические преимущества заявляемого перфоратора по сравнению с известными являются следующие:
- заявляемый перфоратор позволяет одновременно выполнять многощелевую перфорацию, в том числе, одновременно в различных требуемых радиальных направлениях, что повышает производительность;
- позволяет снизить усилие на перемещение перфоратора за счет отсутствия контакта корпуса с колонной;
- является более надежным в эксплуатации на счет практически отсутствия вероятности заклинивания, т.к. при поднятии предлагаемого перфорационного устройства вверх происходит вытягивание рычага из под отклоняющего клина, в то время как в известных перфораторах при попадании металлической стружки под клин поршень закрытие устройства невозможно осуществить, т.к. клином идет давление на край коромысла;
- является простым в изготовлении, монтаже и ремонте за счет простоты конструкции, одинаковых (унифицированных) частей рабочих цилиндров с режущими узлами, возможности быстрой замены режущих элементов, в то время как в известных перфораторах используется сложная геометрия коромысла и сложный контакт клин поршней с коромыслом и одновременно неустойчивая в прочностном плане конструкция.
1. Перфоратор гидромеханический многощелевой режущего действия, содержащий корпус с размещенными в нем поршнем-толкателем, в котором выполнен гидроканал, оборудованный гидромониторной насадкой, отклоняющим клином и выдвижным режущим инструментом, в виде установленного на оси режущего диска с механизмом его выдвижения, выполненным с возможностью взаимодействия с отклоняющим клином, отличающийся тем, что в корпусе перфоратора под поршнем-толкателем дополнительно установлены модуль, выполненный из последовательно размещенных друг за другом, по меньшей мере, двух рабочих цилиндров, и возвратная пружина, при этом указанный модуль размещен в корпусе с возможностью продольного перемещения под действием поршня-толкателя в одном направлении, а в обратном направлении - под действием возвратной пружины, внутри каждого из указанных рабочих цилиндров установлен выдвижной режущий инструмент с механизмом его выдвижения через сквозной вырез, выполненный в стенке рабочего цилиндра, причем механизм выдвижения режущего инструмента выполнен в виде смонтированного на оси одноплечего рычага, в плече которого установлена ось режущего диска, при этом количество отклоняющих клиньев, размещенных в корпусе, соответствует количеству рабочих цилиндров в модуле, с установкой по одному отклоняющему клину в зоне взаимодействия с механизмом выдвижения режущего инструмента рабочего цилиндра, при этом ориентирование сквозных продольных вырезов, по меньшей мере, у двух рабочих цилиндров в модуле выполнено с поперечным угловым смещением друг относительно друга.
2. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что сквозной продольный вырез в рабочем цилиндре выполнен в виде прямоугольника или овала.
3. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что между модулем и возвратной пружиной дополнительно размещен поршень-упор.
