Способ скважинной щелевой перфорации обсадной колонны и устройство для его осуществления

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности при вскрытии пластов в обсаженных скважинах.

Известен скважинный перфоратор (см. патент РФ №2007549, 15.02.1994 г.), где описан способ образования щелевого канала в обсадной колонне, включающий создание давления рабочей жидкости в трубах для обеспечения работы механизмов фиксации корпуса перфоратора, привода режущего инструмента и подачи режущего узла и образование щели путем прорезания колонны и цементного кольца за колонной с помощью вращающейся цепной фрезы, размещенной на станине.

К недостаткам способа относятся:

а) ненадежность осуществления дозированной подачи режущего инструмента в сторону стенки обсадной колонны из-за продолговатой формы цепной фрезы, помещенной на плоской станине. В этом случае при постоянной дозированной угловой скорости вращения станины вокруг своей оси, которая в устройстве обеспечивается гидравлическим реле времени, окружные скорости любых точек на станине относительно оси вращения будут неодинаковыми, поэтому на самой отдаленной точке станины от его оси линейная скорость будет максимальной, где возможно при резании заклинивание инструмента.

б) конструкция цепной фрезы, выполненная в виде связанных между собой режущих элементов и замкнутой цепи, является достаточно сложной конструкцией. Кроме этого, цепь как гибкий элемент не может обеспечить стабильность работы фрезы.

Известен другой способ и устройство для щелевой перфорации обсадной колонны нефтяных и газовых скважин, принятых за прототип (см. патент РФ №2315177, 20.01.2008 г.)

В этом способе скважинной щелевой перфорации обсадной колонны образование щели в стенке обсадной колонны, цементном кольце за обсадной колонной и продуктивном пласте осуществляют вращающимся режущим инструментом в виде дисковой фрезы последовательным перемещением последнего, в начале - в радиальном направлении относительно обсадной колонны с дозированной подачей режущего инструмента, а затем - в вертикальном направлении перемещением перфоратора с расчетной скоростью его подачи на заданное расстояние, для чего используют перфоратор с гидроцилиндром, поршень которого связан механически с вращающимся режущим инструментом и гидравлически - с полостью рабочего давления через гидравлическое сопротивление, при этом перфоратор имеет возможность перемещения в вертикальном направлении относительно обсадной колонны с расчетной скоростью на заданное расстояние за счет устьевого подъемного механизма. Устройство для скважинной щелевой перфорации содержит составной корпус, в котором расположены режущий узел, состоящий из двух плоских коромысел, подвижно установленных на оси корпуса, цепной передачи и кинематически связанной с ней дисковой фрезы, механизмы привода и подачи режущего узла, опорные элементы корпуса, имеющие возможность взаимодействия со стенкой обсадной колонны во время работы перфоратора.

К недостаткам способа относятся:

а) первый этап последовательного перемещения вращающейся дисковой фрезы - дозированная радиальная подача фрезы в сторону стенки обсадной колонны - является ненадежным, т.к. врезание фрезы в стенку обсадной колонны предполагается осуществлять при неподвижном положении корпуса перфоратора относительно обсадной колонны;

б) применение устьевого подъемного механизма для обеспечения дозированной подачи перфоратора при его возвратно-поступательном перемещении технически невозможно.

К недостаткам устройства относятся:

а) жесткая связь корпуса с колонной подъемных труб во время работы перфоратора не обеспечивает надежности ориентированного положения перфоратора в стволе обсадной колонны по азимуту, в частности, в глубоких скважинах;

б) подпружиненные поршни-лапы, взаимодействующие со стенкой обсадной колонны как опорные элементы трения, недолговечны из-за быстрого износа.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков с помощью создания способа и устройства для скважинной щелевой перфорации обсадной колонны, обеспечивающих надежность формообразования щели и работы устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе скважинной щелевой перфорации обсадной колонны, включающем резание стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта скважины вращающимся режущим инструментом, выполненным в виде дисковой фрезы и имеющим возможность перемещения с дозированной подачей в сторону стенки обсадной колонны и в вертикальном направлении относительно обсадной колонны на заданное расстояние, в отличие от прототипа резание стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта скважины осуществляют в интервале перфорации скважины щелеобразными участками, расположенными относительно друг друга с заданным шагом по спиральной линии вокруг оси колонны, причем на каждом участке образование щели осуществляют перемещением оси дисковой фрезы в плоскости щелеобразования по заданной траектории с одновременным возвратно-поступательным перемещением перфоратора в вертикальном направлении относительно обсадной колонны, при этом спуск перфоратора от его верхнего конечного положения до нижнего конечного положения осуществляют с дозированной скоростью, а ось дисковой фрезы, вращающейся при спуске перфоратора, одновременно перемещают от ее верхней исходной точки траектории в начале - под углом к образующей стенки обсадной колонны, осуществляя при этом плавное врезание фрезы последовательно в стенку обсадной колонны, цементное кольцо за обсадной колонной и продуктивный пласт скважины, до точки траектории, на которой врезание фрезы завершают одновременно с окончанием ее дозированной подачи и от которой в дальнейшем ось фрезы продолжают перемещать в вертикальном направлении до нижней конечной точки траектории, осуществляя при этом фрезерование одновременно стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта на полученной после врезания глубине щели, а подъем перфоратора от его нижнего конечного положения до верхнего конечного положения осуществляют с независимой скоростью перемещения, при которой ось фрезы, невращающейся при подъеме перфоратора, одновременно перемещают по независимой траектории с ускоренной подачей от стенки обсадной колонны от ее нижней конечной точки траектории до верхней исходной точки траектории, для чего используют перфоратор с гидроцилиндром, поршень которого связан механически с дисковой фрезой и гидравлически с подпоршневой стороны - с полостью рабочего давления, с надпоршневой стороны - с межтрубной полостью через гидравлическое сопротивление, служащее для дозированной подачи жидкости из надпоршневой полости гидроцилиндра в межтрубную полость во время воздействия рабочего давления жидкости на поршень с подпоршневой стороны, и через клапан одностороннего действия с большим проходом, служащим для быстрой подачи жидкости из межтрубной полости в надпоршневую полость гидроцилиндра после сброса давления жидкости в перфораторе, причем возвратно-поступательное перемещение перфоратора во время его работы осуществляют изменением длины колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) за счет упругих свойств материала колонны, при этом для перемещения перфоратора вниз на колонну воздействуют дозированной осевой нагрузкой за счет дозированной подачи давления в НКТ, а для перемещения вверх - снятием нагрузки после сброса давления. Кроме того, поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве для скважинной щелевой перфорации обсадной колонны, содержащем корпус с продольным вырезом, узел подвески корпуса, размещенные в корпусе режущий узел с вращающимся режущим элементом, выполненным в виде дисковой фрезы, механизмы привода и подачи режущего узла, опорные элементы корпуса, расположенные на двух опорных участках - в верхней и нижней части корпуса - с противоположной стороны от режущего узла и выполненные в виде роликов, подвижно установленных на осях корпуса, механизм фиксации корпуса в обсадной колонне с отжимным элементом, выполненным в виде отжимного ролика, расположенного на одной стороне с режущим узлом и имеющим возможность взаимодействия одновременно с опорными роликами во время работы перфоратора, при этом механизм подачи режущего узла содержит гидроцилиндр с подпружиненным поршнем со штоком, рычаг, шарнирно связанный одним концом со штоком, а другим - с режущим узлом, и гидравлическое сопротивление, выполненное в виде дроссельного отверстия с возможностью дозированной подачи жидкости из надпоршневой полости гидроцилиндра в межтрубную полость во время работы перфоратора, в отличие от прототипа узел подвески корпуса выполнен в виде комбинированного подвижного соединения корпуса с колонной НКТ, на каждом опорном участке корпуса дополнительно размещен второй опорный ролик на оптимальном расстоянии от первого опорного ролика с возможностью обязательного взаимодействия одного из двух роликов опорного участка со стенкой обсадной колонны на стыках муфтовых соединений обсадной колонны, в гидроцилиндре механизма подачи режущего узла дополнительно размещен клапан одностороннего действия с большим проходом с возможностью быстрой подачи жидкости из межтрубной полости в надпоршневую полость.

На фиг.1 представлено устройство для щелевой перфорации обсадной колонны в исходном положении, на фиг.2 и 3 - траектория перемещения оси режущего узла и оси дисковой фрезы относительно стенки обсадной колонны, соответственно, сверху вниз и снизу вверх, где позициями указано:

1 - подвеска НКТ; 2 - муфта НКТ шарнирного узла; 3 - корпус; 4 - муфта корпуса; 5 - дисковая фреза; 6 - режущий узел; 7 - привод фрезы; 8 - кинематическая связь от привода 7 к фрезе 5; 9 - ось режущего узла 6; 10 - ось фрезы; 11 - отжимной ролик; 12 - механизм подачи отжимного ролика; 13 - гидроцилиндр механизма подачи режущего узла 6; 14 - поршень со штоком гидроцилиндра 13; 15 - тяга от штока к режущему узлу; 16 - клапан одностороннего действия; 17 - дроссельное отверстие; 18 - канал гидравлической связи подпоршневой полости гидроцилиндра 13 с рабочей полостью; 19 и 20 - ролики верхнего и нижнего опорных участков корпуса 3 соответственно; 21 - оси роликов; 22 - обсадная колонна.

Устройство работает следующим образом.

На колонне НКТ 1 устройство спускают в скважину к месту перфорации. Все механизмы устройства находятся в исходном положении, как показано на фиг.1. В колонне НКТ создают давление жидкости начальной рабочей величины, от которой начинают дозированное повышение давления, которое, в свою очередь, передается одновременно на гидродвигатель привода 7 и по каналу 18 в подпоршневые полости гидроцилиндров 13 механизма подачи режущего узла 6 и механизма подачи отжимного ролика 11. От воздействия давления жидкости начинают работу гидродвигатель привода 7, от которого через кинематическую связь 8 получает вращение дисковая фреза 5. Поршень 14, воздействуя через шток тяги 15, осуществляет дозированную подачу режущего узла 6 с дисковой фрезой 5 в сторону стенки обсадной колонны. Дозированное перемещение режущего узла 6 обеспечивается за счет дозированного перетока жидкости из надпоршневой полости гидроцилиндра 13 в межтрубную полость через дроссельное отверстие 17. Клапан одностороннего действия 16 в это время находится в закрытом положении под воздействием давления в надпоршневой полости гидроцилиндра 13. Механизм подачи 12 осуществляет перемещение отжимного ролика 11 до его взаимодействия со стенкой обсадной колонны с последующим фиксированием совместно с опорными роликами 19 и 20 перфоратора в обсадной колонне.

Во время дозированной подачи давления жидкости в НКТ увеличивается также в дозированном режиме осевая нагрузка на колонну НКТ, которая в соответствии с этим постепенно увеличивает свою длину за счет упругих свойств материала колонны, при этом перфоратор в этом же режиме осуществляет перемещение относительно обсадной колонны вниз.

Во время дозированного перемещения перфоратора от верхнего конечного положения до нижнего конечного положения в вертикальном направлении с одновременной дозированной подачей вращающейся дисковой фрезы 5 в сторону стенки обсадной колонны ось 10 фрезы перемещается по траектории под углом к образующей стенки обсадной колонны 22 от точки А до точки А₁ (см. фиг.2). При этом осуществляют врезание фрезы последовательно в стенку обсадной колонны, цементное кольцо за обсадной колонной и продуктивный пласт на заданную глубину. Дозированная подача дисковой фрезы в сторону стенки обсадной колонны на этом завершается. На следующем этапе перемещения перфоратора ось 10 дисковой фрезы 5 перемещают по траектории от точки А₁ до точки А₂ с фрезерованием одновременно стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта на той же глубине. Ось 9 режущего узла 6 одновременно перемещается вертикально вниз от точки О до точки O₁. При прохождении опорных участков корпуса 3 через стыки муфтовых соединений обсадной колонны в состоянии взаимодействия со стенкой обсадной колонны будет находиться обязательно один из пары роликов данного участка. Этим обеспечивается устойчивое фиксированное положение перфоратора в обсадной колонне.

При достижении давления в рабочей полости НКТ конечной рабочей величины подачу жидкости прекращают с полным сбросом давления в гидросистемах перфоратора. За счет тех же упругих свойств материала колонны НКТ последняя укорачивается до исходной длины и, соответственно, перфоратор также возвращается в колонне НКТ на исходную позицию. В исходное положение одновременно возвращаются под действием своих пружин поршни гидроцилиндра механизма подачи 12 отжимного ролика 11, освобождая его от воздействия со стенкой обсадной колонны, и гидроцилиндра 13. При этом ось уже не вращающейся фрезы перемещается от нижней конечной точки А₂ (см. фиг.2) до верхней исходной точки А по независимой траектории теперь с ускоренной подачей от стенки обсадной колонны 22, а ось 9 режущего узла 6 одновременно перемещается вертикально вверх от точки О₁ до точки О с независимой скоростью. Ускоренную подачу в исходное положение режущего узла 6 осуществляют быстрой подачей жидкости из межтрубной полости в надпоршневую полость гидроцилиндра 13 через клапан одностороннего действия 16 с большим проходом, который открывается за счет перепада давлений в смежных полостях.

Шарнирное соединение корпуса 3 перфоратора с колонной НКТ 1 посредством муфт 4 и 2 обеспечивает стабильное осевое перемещение перфоратора в фиксированном положении в обсадной колонне с помощью отжимного ролика 11 и опорных роликов 19 и 20 во время резания щели по заданному азимуту.

После окончания работ по щелеобразованию на первом участке обсадной колонны перфоратор перемещают на следующую позицию интервала перфорации с поворотом НКТ вокруг оси колонны на заданный угол. Таким образом посредством элементов паз-выступ на муфтах 4 и 2 осуществляют следующее ориентирование перфоратора относительно обсадной колонны на новый азимут.

Длина получаемой щели на каждом участке колонны зависит от следующих факторов: модуля продольной упругости материала подъемных труб, размера поперечного сечения труб, длины колонны НКТ и величины осевой нагрузки.

Таким образом, способ и устройство для его осуществления позволяют обеспечивать стабильную и надежную работу при образовании щели в обсадной колонне скважины.

Источники информации

1. Патент РФ №2007549, кл. Е21В 43/114.

2. Патент РФ №2315177, кл. Е21В 43/114.

1. Способ скважинной щелевой перфорации обсадной колонны, включающий резание стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта скважины вращающимся режущим инструментом, выполненным в виде дисковой фрезы и имеющим возможность перемещения с дозированной подачей в сторону стенки обсадной колонны и в вертикальном направлении относительно обсадной колонны на заданное расстояние, отличающийся тем, что резание стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта скважины осуществляют в интервале перфорации скважины щелеобразными участками, расположенными относительно друг друга с заданным шагом по спиральной линии вокруг оси колонны, причем на каждом участке образование щели осуществляют перемещением оси дисковой фрезы в плоскости щелеобразования по заданной траектории с одновременным возвратно-поступательным перемещением перфоратора в вертикальном направлении относительно обсадной колонны, при этом спуск перфоратора от его верхнего конечного положения до нижнего конечного положения осуществляют с дозированной скоростью, а ось дисковой фрезы, вращающейся при спуске перфоратора, одновременно перемещают от ее верхней исходной точки траектории в начале - под углом к образующей стенки обсадной колонны, осуществляя при этом плавное врезание с дозированной подачей фрезы последовательно в стенку обсадной колонны, цементное кольцо за обсадной колонной и продуктивный пласт скважины, до точки траектории, на которой врезание фрезы завершают и от которой в дальнейшем ось фрезы продолжают перемещать в вертикальном направлении до нижней конечной точки траектории, осуществляя при этом фрезерование одновременно стенки обсадной колонны, цементного кольца за обсадной колонной и продуктивного пласта на полученной после врезания глубине щели, а подъем перфоратора от его нижнего конечного положения до верхнего конечного положения осуществляют с независимой скоростью перемещения, при которой ось фрезы, невращающейся при подъеме перфоратора, одновременно перемещают по независимой траектории с ускоренной подачей от стенки обсадной колонны от ее нижней конечной точки траектории до верхней исходной точки траектории, для чего используют перфоратор с гидроцилиндром, поршень которого связан механически с дисковой фрезой и гидравлически с подпоршневой стороны - с полостью рабочего давления, с надпоршневой стороны - с межтрубной полостью через гидравлическое сопротивление, служащее для дозированной подачи жидкости из надпоршневой полости гидроцилиндра в межтрубную полость во время воздействия рабочего давления жидкости на поршень с подпоршневой стороны, и через клапан одностороннего действия с большим проходом, служащим для быстрой подачи жидкости из межтрубной полости в надпоршневую полость гидроцилиндра после сброса давления жидкости в перфораторе, причем возвратно-поступательное перемещение перфоратора во время его работы осуществляют изменением длины колонны насосно-компрессорных труб (НКТ) за счет упругих свойств материала колонны, при этом для перемещения перфоратора вниз на колонну НКТ воздействуют дозированной осевой нагрузкой за счет дозированной подачи давления в НКТ, а для перемещения вверх - снятием нагрузки после сброса давления.

2. Устройство для скважинной щелевой перфорации обсадной колонны, содержащее корпус с продольным вырезом, узел подвески корпуса, размещенные в корпусе режущий узел с вращающейся дисковой фрезой, механизмы привода и подачи режущего узла, опорные элементы корпуса, расположенные на двух опорных участках в верхней и нижней части корпуса с противоположной стороны от режущего узла и выполненные в виде роликов, подвижно установленных на осях корпуса, механизм фиксации корпуса в обсадной колонне с отжимным элементом, выполненным в виде отжимного ролика, расположенного на одной стороне с режущим узлом и имеющим возможность взаимодействия одновременно с опорными роликами во время работы перфоратора, при этом механизм подачи режущего узла содержит гидроцилиндр с подпружиненным поршнем со штоком, рычаг, шарнирно связанный одним концом со штоком, а другим - с режущим узлом, и гидравлическое сопротивление, выполненное в виде дроссельного отверстия с возможностью дозированной подачи жидкости из надпоршневой полости гидроцилиндра в межтрубную полость во время работы перфоратора, отличающееся тем, что узел подвески корпуса выполнен в виде комбинированного подвижного соединения корпуса с колонной НКТ, на каждом опорном участке корпуса дополнительно размещен второй опорный ролик на оптимальном расстоянии от первого опорного ролика с возможностью обязательного взаимодействия одного из двух роликов опорного участка со стенкой обсадной колонны на стыках муфтовых соединений обсадной колонны, в гидроцилиндре механизма подачи режущего узла дополнительно размещен клапан одностороннего действия с большим проходом с возможностью быстрой подачи жидкости из межтрубной полости в надпоршневую полость.

3. Устройство по п.2, отличающийся тем, что комбинированное подвижное соединение корпуса с колонной НКТ имеет вид подвижного сопряжения сферических поверхностей внутренней и наружной, одна из которых выполнена на муфте корпуса, а другая - на муфте труб, и сопряжения по торцам муфт, при этом на торце муфты корпуса выполнен поперечный паз, в котором с зазором размещен поперечный выступ муфты труб.