Результат интеллектуальной деятельности: СКВАЖИННЫЙ ПРОБОЙНИК ДЛЯ ТРУБ

Изобретение относится к подземному ремонту скважин и предназначено для получения отверстия в стенке трубы с целью сообщения ее полости с окружающей средой.

В качестве аналога принято устройство, содержащее сверло, электропривод для его вращения и осевого перемещения, электрокабель для питания энергией от наземного источника [1].

Недостатком указанного устройства является необходимость использования для его спуска в скважину электрокабеля, что в ряде условий усложняет технологию выполнения отверстия в стенке трубы в скважине.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является спускаемый в скважину на рабочей колонне пробойник для труб, содержащий цилиндр и полый заполненный жидкостью корпус с боковым каналом, поршень с рабочим органом, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра. В полости цилиндра установлен полый плунжер, связанный со штоком со срезным элементом, образующий в цилиндре две камеры: штоковую - с одной, рабочую - с другой стороны. Рабочая камера цилиндра сообщена с окружающей средой через каналы переводника, гидравлическая связь через которые перекрыта разрушаемой заглушкой. Внутри переводника установлен якорь с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с разрушаемой заглушкой, который зафиксирован относительно переводника посредством срезного штифта и жестко связан с рабочей колонной [2].

Недостатки указанной конструкции, выявленные в процессе использования, следующие:
1. Для применения устройства необходимо наличие упора в пробиваемой колонне труб, что ограничивает сферу его использования.

2. В процессе извлечения пробойника из пробитой колонны труб иногда наблюдается его заклинивание по пути из-за самопроизвольного выхода поршня с рабочим органом из корпуса. Это происходит вследствие того, что воздух в штоковой камере цилиндра после завершения операции пробивки в результате перемещения плунжера находится под некоторым давлением, составляющим в реальных конструкциях около 2-4 атм. По мере подъема пробойника после пробивки гидравлическое давление окружающей среды вокруг устройства постепенно понижается и поэтому, если указанное внешнее давление становится меньше, чем давление в штоковой камере устройства, под действием избыточного давления в последней шток повторно входит в корпус и вытесняет поршень с рабочим органом наружу до контакта со стенкой колонны труб, что приводит к заклиниванию устройства в пути, т.е. происходит отказ устройства от нормальной работы.

Целью изобретения является повышение надежности пробойника и расширение его функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что в полости корпуса установлен упругодеформируемый элемент для фиксации штока относительно корпуса, а запорный элемент на канале переводника выполнен в виде пробки, снабженной уплотнительным элементом, установленной с возможностью открывания в рабочую камеру и жестко связанной с якорем.

По вопросу об изобретательском уровне предложенных конструктивных решений сообщаем следующее.

Известный скважинный пробойник [3] является устройством, близким по технической сущности и достигаемому результату. Однако ему присущи те же недостатки, которые характерны для прототипа, т.е. он требует наличия упора в скважине и, кроме того, его рабочий орган также иногда заклинивает в пробитой трубе, в результате чего возникают затруднения при извлечении устройства из полости поднятой на поверхность пробитой трубы после окончания ремонта.

Отличительные признаки описанного в настоящей заявке устройства придают ему следующие новые свойства:
- дают возможность пробивки трубы в любом интервале, для чего необходимо установить его на нужной глубине путем опускания, например, на скребковой проволоке с помощью высокопроизводительного оборудования канатной техники и создать давление в пробиваемой колонне, достаточное для разрушения срезного элемента, фиксирующего герметизирующую пробку вместе с якорем относительно переводника;
- исключают возможность заклинивания устройства в процессе извлечения из скважины, т. к. зафиксированный относительно корпуса шток остается при этом неподвижным и поэтому не происходит обратного выхода поршня с рабочим органом под действием избыточного давления в рабочей камере.

Отмеченные новые свойства, на наш взгляд, позволяют отнести его отличительные признаки в разряд существенных, имеющих изобретательский уровень.

На фиг. 1 изображен скважинный пробойник, продольный разрез; на фиг. 2 - пробка с якорем в открытом положении; на фиг. 3 - подробное увеличенное изображение узла фиксации.

Пробойник содержит корпус 1 с осевой герметизированной камерой 2 и радиальным каналом 3. Камера 2 и радиальный канал 3 гидравлически связаны с помощью канала 4. В радиальном канале 3 размещен поршень 5 с рабочим органом 6 из твердого материала. Зазор между поршнем и корпусом уплотнен кольцами 7. В камеру 2 подвижно входит шток 8, имеющий уплотнение 9. Шток 8 соединен с полым плунжером 10 посредством срезного элемента (штифта) - 11. Полый плунжер 10 взаимодействует с цилиндром 12 через уплотнительные кольца 13 и делит внутреннюю полость цилиндра 12 на две части - штоковую камеру 14 и рабочую камеру 15. Камера 14 и внутренняя полость плунжера 10 сообщаются через отверстия 16 и таким образом образуют единый резервуар, изолированный от окружающей среды.

Камера 15 изолирована от окружающей среды посредством пробки 17. Цилиндр 12 пробойника снабжен жестко связанным с ним переводником 18. Внутри переводника 18 установлен с возможностью осевого перемещения якорь 19, жестко связанный с пробкой 17 и в транспортном положении фиксированный к переводнику 18 посредством срезного штифта 20. Переводник 18 связан тросом - скребковой проволокой 21, являющейся частью канатной техники, применяемой для доставки на забой различного оборудования и приборов. В варианте сбрасываемого использования трос 21 отсутствует. Внутренняя полость переводника 18 гидравлически связана с окружающей средой посредством отверстий 22. Эта гидравлическая связь в транспортном положении перекрыта уплотнительным кольцом 23, установленным между пробкой 17 и переводником 18. Труба 24 является частью колонны, в которой необходимо пробить отверстие. На штоке 8 установлен фиксатор 25, выполненный в виде цанги с упругими перьями 26, снабженными буртами 27 для взаимодействия с упором 28 на внутренней поверхности камеры 2.

Пробойник работает следующим образом.

Устройство опускается в пробиваемую колонну труб на скребковой проволоке 21 с помощью лебедки канатной техники или свободно сбрасывается. После достижения пробойником необходимой глубины в колонне труб с помощью наземного насоса или технологического внутрискважинного оборудования поднимается гидростатическое давление. Поскольку давление в изолированной рабочей камере 15 равно атмосферному, разность давлений в окружающей среде и в рабочей камере 15, действующая на поперечное сечение пробки 17, нагружает штифт 20 и после срезания последнего якорь 19 вместе с пробкой перемещаются в сторону рабочей камеры 15, открыв туда доступ жидкости из полости пробиваемой трубы 24 через отверстие 22. В результате этого давление столба жидкости в колонне труб начинает действовать на торец плунжера 10. Под этим давлением плунжер 10, связанный со штоком 8 через срезной элемент 11, идет вниз, сжимая воздух в изолированной штоковой камере 14 и вытесняя жидкость из осевой герметизированной камеры 2 под поршень 5. Поршень 5 начинает двигаться в радиальном направлении и внедряет рабочий орган 6 в стенку трубы 24 - происходит пробивка ее стенки. Укажем, что для срыва буртов 27 фиксатора 25 с упора 28 затрачивается некоторая часть силы, действующей от плунжера 10 на шток 8, однако указанное обстоятельство никак не сказывается на величине максимальной нагрузки, развиваемой на поршне 5. Это объясняется тем, что в момент срыва фиксатора 25 шток 8 находится в самом начале своего внедрения в камеру 2, когда рабочий орган 6 проходит зазор между устройством и пробиваемой трубой 24.

Срезной элемент 11, соединяющий шток 8 с плунжером 10, рассчитан на усилие, необходимое только для пробивки колонны труб. По этой причине после упора бурта штока 8 в торец корпуса 1 указанный элемент (штифт) срезается в процессе дальнейшего перемещения плунжера 10. В результате этого прекращается действие усилия на шток 8. В указанный момент давление воздуха в изолированной штоковой камере 14 составляет только несколько атмосфер (обычно 2 -4 атм. ) и поэтому шток 8 под действием сначала давления в камере 2, а в последующем под действием давления внешней среды, действующей на поршень 5, телескопически входит в полый плунжер 10. При этом фиксатор 25 с буртами 27 становится на упор 28 в камере 2, а поршень 5 выдергивает рабочий орган 6 из пробитого отверстия. Таким образом, обратный ход поршня 5 с рабочим органом 6 открывает отверстие в стенке трубы, чем обеспечивается надежное сообщение полости труб с затрубным пространством.

В процессе подъема устройства из скважины на поверхность на скребковой проволоке 21 или вместе с пробитой колонной внешнее давление, действующее на пробойник, понижается. Когда оно становится меньше, чем давление в штоковой камере 14, сжатый воздух, находящийся в ней, в результате расширения перемещает плунжер 10 в сторону рабочей камеры 15 - при этом смесь воздуха и жидкости из последней вытекает наружу через открытую пробку 17 и отверстия 22 в переводнике 18. Однако свободному расширению сжатого воздуха, содержащегося в штоковой камере 14, препятствуют силы трения между плунжером 10 и цилиндром 12, гидродинамическое трение в пределах переводника 18, а также и вес самого плунжера 10, если устройство, в силу необходимости, спущено в скважину в положении, изображенном в заявке.

Укажем, что в практике эксплуатации пробойников отмечены неоднократные случаи даже полной закупорки каналов в переводнике 18 парафином и другими механическими частицами, содержащимися в продукции скважины. По указанным причинам в штоковой камере 14 в конце подъема устройства обычно воздух остается в несколько сжатом состоянии. Однако в предложенном устройстве благодаря наличию фиксатора 25 указанное избыточное давление не может привести к повторному входу штока 8 в камеру 2, в результате чего поршень 5 с рабочим органом 6 остаются в утопленном состоянии, чем предотвращается заклинивание пробойника в колонне в процессе подъема из труб, или исключаются сложности при его освобождении от поднятой пробитой трубы, если использование устройства производится по сбрасываемому варианту и он извлекается из скважины вместе с колонной труб. Заметим, что благодаря тому, что в процессе пробивки предложенный пробойник не нуждается в опоре, он свободен и от такого недостатка известных пробойников, как перекашивание рабочего органа с поршнем, что иногда приводит к отказам последних.

Преимущественная область применения описанного пробойника - использование для пробивки одного или нескольких отверстий в любом интервале глубины колонны труб, а также в случаях, когда затраты на манипулирование давлением по глубине пробиваемой колонны не имеют существенного значения в процессе выполнения тех или иных работ в скважинах с привлечением пробойниковых технологий.

Источники информации
1. Сверлящий перфоратор типа "ППС 112-60", производства HПП "Азимут" при Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

2. Патент РФ 2057894.

3. Авторское свидетельство 673724.