ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ЩЕЛЕВОЙ ПЕРФОРАТОР (ВАРИАНТЫ)

Группа изобретений относится к области бурения и эксплуатации скважин, в частности к конструкции устройств для вскрытия продуктивных пластов путем гидромеханической щелевой перфорации, и может быть использована при строительстве и ремонте скважин различного назначения.

Известны устройства для щелевой перфорации скважин, позволяющие одновременно формировать как минимум две перфорационные щели в эксплуатационной колонне, например, раскрытые в патентах RU 2249678 С2, МПК E21B 43/112, 10.04.2005 г., RU 2371569 С1, МПК E21B 43/112, 27.10.2009 г., RU 2365743 C1, МПК E21B 43/112, 27.08.2009 г. При этом размер режущих инструментов, используемых в указанных конструкциях режущих узлов, приближается к диаметру корпуса перфоратора, что позволяет формировать перфорационные щели значительной глубины.

Недостатком этих устройств является неравномерная подача усилий на режущие диски, а именно на один из дисков подача усилия осуществляется непосредственно механизмом выдвижения в виде клин-поршня или отклоняющего клина, а на второй диск усилие подается опосредованно от первого диска через сопряженный с ним рычаг, например, в виде коромысла. При этом первый из режущих дисков, тот, на который оказывается непосредственное воздействие, при вскрытии колонны выходит за ее пределы на максимальное расстояние, тогда как второй диск, расположенный выше либо ниже первого диска осуществляет вскрытие менее эффективно, в связи с чем формируемая им вторая щель может не достигать требуемой ширины и глубины, а при длительной работе перфорационного устройства и значительном износе дисков может вообще отсутствовать.

Задачей предлагаемой группы изобретений является выравнивание усилий, подаваемых на режущие диски двухстороннего перфоратора, чем обеспечивается равномерное вскрытие эксплуатационной колонны одновременно как минимум в двух проекциях с гарантированным формированием диаметральных щелей одинаково высокого качества.

Наиболее близким аналогом предлагаемой группы изобретений является устройство для перфорации скважин, раскрытое в патенте RU 2365743 C1, МПК E21B 43/112, 27.08.2009 г., которое принимается за прототип.

Устройство по прототипу содержит корпус, размещенный в нем подпружиненный поршень-толкатель с осевым центральным и двумя боковыми радиальными каналами с установленными в них гидромониторными насадками, и выдвижной режущий инструмент в виде двух установленных друг над другом накатных дисков с механизмами их радиального выдвижения и возврата в исходное положение, причем механизм выдвижения накатных дисков включает размещенный между двумя вертикальными тягами вилки, жестко связанной с нижним торцем поршня-толкателя, двуплечий рычаг, смонтированный на подвижной центральной оси, в плечах которого шарнирно установлены накатные диски, и установленный неподвижно в нижней части корпуса отклоняющий клин с заданным углом наклона рабочей поверхности к оси устройства и направляющей щелью для нижнего накатного диска, взаимодействующий с нижним плечом двуплечевого рычага при осевом перемещении поршня-толкателя, а механизм возврата накатных дисков в исходное положение выполнен в виде размещенных между корпусом и нижним плечом двуплечевого рычага боковых пластин с направляющими пазами, параллельными рабочей поверхности отклоняющего клина, в которых с зазором установлены концы оси нижнего накатного диска.

Устройство по прототипу имеет следующие недостатки:

1. Неравномерность подачи усилий на режущие диски: усилие поршня подается, в первую очередь, через отклоняющий клин на нижний режущий диск и лишь опосредованно через двуплечий рычаг на верхний режущий диск.

2. Не обеспечивается одинаковое качество вскрытия колонны обоими режущими дисками.

3. Диски изнашиваются неравномерно, что при длительных работах приводит к увеличению количества дополнительных спускоподъемных операций, необходимых для замены режущих дисков.

Предлагаемая группа изобретений обеспечивает достижение следующего технического результата:

1. Повышение равномерности, качества и скорости вскрытия эксплуатационной колонны, повышение производительности перфоратора.

2. Снижение вероятности изломов и деформаций подвижных частей перфоратора.

3. Снижение вероятности заклинивания режущих инструментов в прорезаемых щелях.

4. Равномерность износа режущих инструментов и снижение скорости их износа.

5. Повышение надежности перфоратора.

Немаловажно, что при достижении указанного технического результата конструкции предлагаемых устройств сохраняют простоту, чем обеспечивается легкость изготовления предлагаемых устройств и удобство их эксплуатации.

Указанный технический результат достигается путем выравнивания усилий, подаваемых на режущие инструменты перфоратора за счет выполнения поршня-толкателя в виде клин-поршня с возможностью его непосредственного воздействия на верхнее плечо двуплечего рычага, выдвигающее верхний режущий инструмент.

Первый вариант устройства, включенный в предлагаемую группу изобретений, представляет собой гидромеханический щелевой перфоратор, содержащий корпус, размещенный в нем поршень-толкатель и расположенный ниже поршня режущий узел, включающий выдвижные режущие инструменты с механизмом их выдвижения в виде двуплечего рычага (коромысла), в плечах которого размещены режущие инструменты, а также отклоняющего клина, установленного под коромыслом неподвижно либо с возможностью незначительного перемещения, при этом коромысло смонтировано на подвижной оси с возможностью поворота при взаимодействии его нижнего плеча с отклоняющим клином при перемещении вниз поршня-толкателя. При этом согласно изобретению поршень-толкатель выполнен в виде клин-поршня с возможностью его непосредственного воздействия на верхнее плечо двуплечего рычага, выдвигающее верхний режущий инструмент, и тем самым создания клин-поршнем и отклоняющим клином более или менее равных оппозитно направленных усилий, действующих одновременно на верхнее и на нижнее плечо коромысла.

Второй вариант устройства, включенный в предлагаемую группу изобретений, представляет собой гидромеханический щелевой перфоратор, содержащий корпус, размещенный в нем поршень-толкатель и расположенный ниже поршня режущий узел, включающий выдвижные режущие инструменты с механизмом их выдвижения, включающим отклоняющий клин, установленный в корпусе перфоратора под режущим узлом неподвижно либо с возможностью незначительного перемещения.

Согласно второму варианту изобретения поршень-толкатель выполнен в виде клин-поршня с возможностью его непосредственного воздействия на режущий узел, который включает, как минимум, два коромысла, в плечах которых размещены режущие инструменты, при этом коромысла смонтированы на подвижных осях с возможностью взаимодействия и поворота при воздействии клин-поршня на верхнее плечо верхнего коромысла и воздействии отклоняющего клина на нижнее плечо нижнего коромысла.

Второй вариант исполнения изобретения предполагает укрупненную конструкцию режущего узла, содержащую более двух режущих инструментов, что позволяет дополнительно увеличить производительность перфоратора.

Перфоратор по обоим вариантам исполнения изобретения может также содержать механизм приведения выдвигающихся деталей в транспортное положение, например, включающий один или несколько направляющих пазов, выполненных в коромысле (коромыслах), и одну или несколько тяг, прикрепленных к другому коромыслу, к оси другого коромысла, к поршню-толкателю, к отклоняющему клину, выполненных с возможностью перемещения по пазу(пазам) и обеспечения тем самым возврата коромысла (коромысел) в транспортное положение при обратном движении поршня-толкателя. Наличие такого механизма предпочтительно, так как это улучшает эксплуатационные характеристики перфоратора, облегчает приведение его в транспортное положение и извлечение из скважины по окончании работ, помогает избежать заклиниваний и изломов режущих инструментов.

Оба варианта предлагаемой группы изобретений позволяют повысить производительность и надежность перфоратора по сравнению с прототипом.

Выполнение поршня-толкателя в виде клин-поршня позволяет создать дополнительное усилие сверху на режущий узел, оппозитное усилию, создаваемому снизу отклоняющим клином. Таким образом, дополнительное усилие клин-поршня поступает на механизм выдвижения верхнего режущего инструмента, тем самым усилие на верхний режущий инструмент выравнивается по отношению к усилию, подаваемому на нижний режущий инструмент отклоняющим клином, что обеспечивает равномерное внедрение режущих инструментов в колонну в процессе вскрытия. Это обусловливает их равномерную работу, избежание заклиниваний и аварий, а также их равномерный износ. Применение изобретения позволяет гарантированно вскрывать колонну в двух проекциях, при этом формируемые щели в обеих проекциях имеют одинаковые качественные характеристики.

Режущие инструменты в предлагаемых вариантах устройства могут быть выполнены в виде дисков (фрез), установленных на осях, как в прототипе, а также в иных видах и формах (ножи, резцы и т.д.). Кроме того, режущие инструменты могут быть выполнены непосредственно на коромысле(коромыслах), например, в виде кромки коромысла, определенным образом обработанной для придания режущих свойств, например, заточенной или снабженной твердосплавными вставками.

Перфоратор по любому из предлагаемых вариантов может быть снабжен двумя или несколькими гидромониторными насадками, выполненными, например, в корпусе и/или в поршне перфоратора. Это позволяет осуществлять гидромониторную обработку призабойной зоны пласта в интервале перфорации непосредственно после вскрытия колонны без применения дополнительных устройств и без осуществления дополнительных спуско-подъемных операций.

Заявляемая группа устройств отличается простотой конструкций, чем обеспечивается их надежность и технологичность.

На фиг.1-2 представлены варианты исполнения заявляемой группы изобретений с режущими инструментами в виде дисков:

фиг.1 - первый вариант исполнения изобретения с двумя режущими инструментами и механизмом их выдвижения в виде коромысла;

фиг.2 - второй вариант исполнения изобретения с количеством режущих инструментов, превышающим два, и механизмом выдвижения режущих инструментов в виде группы коромысел.

Гидромеханический щелевой перфоратор содержит корпус 1, размещенный в нем поршень-толкатель 2 и расположенный ниже поршня 2 режущий узел 3, включающий выдвижные режущие инструменты 4, 5 с механизмом их выдвижения в виде двуплечего рычага (коромысла) 6, в плечах 7, 8 которого размещены режущие инструменты 4, 5, а также отклоняющего клина 9, установленного неподвижно под коромыслом 6, при этом коромысло 6 смонтировано на подвижной оси 10 с возможностью поворота при взаимодействии его нижнего плеча 8 с отклоняющим клином 9 при перемещении вниз поршня-толкателя 2. Поршень-толкатель 2 выполнен в виде клин-поршня с возможностью его непосредственного воздействия на верхнее плечо 7 двуплечего рычага 6, выдвигающее верхний режущий инструмент 4, и тем самым создания клин-поршнем 2 и отклоняющим клином 9 более или менее равных оппозитно направленных усилий, действующих одновременно на верхнее 7 и на нижнее 8 плечо коромысла 6.

По второму варианту гидромеханический щелевой перфоратор содержит корпус 1, размещенный в нем поршень-толкатель 2 и расположенный ниже поршня 2 режущий узел 3, включающий выдвижные режущие инструменты 4, 5 с механизмом их выдвижения, включающим отклоняющий клин 9, установленный в корпусе 1 перфоратора неподвижно под режущим узлом 3. Поршень-толкатель 2 выполнен в виде клин-поршня с возможностью его непосредственного воздействия на режущий узел 3, который включает, как минимум, два коромысла 6, 11, в плечах 7, 8 которых размещены режущие инструменты 4, 5, при этом коромысла 6, 11 смонтированы на подвижных осях 10 с возможностью взаимодействия и поворота при воздействии клин-поршня 2 на верхнее плечо 7 верхнего коромысла 6 и воздействии отклоняющего клина 9 на нижнее плечо 8 нижнего коромысла 11.

Перфоратор может содержать механизм приведения выдвигающихся деталей в транспортное положение, например, включающий один или несколько направляющих пазов 12, выполненных в коромысле 6(коромыслах 6, 11), и одну или несколько тяг 13, прикрепленных к другому коромыслу 11, к оси 10 другого коромысла 11, к поршню-толкателю 2, к отклоняющему клину 9, выполненных с возможностью перемещения по пазу(пазам) 12 и обеспечения тем самым возврата коромысла 6 (коромысел 6, 11) в транспортное положение при обратном движении поршня-толкателя 2.

Перфоратор может быть снабжен двумя или несколькими гидромониторными насадками 14, выполненными, например, в корпусе 1 и/или в поршне 2 перфоратора.

Устройство работает следующим образом.

Перфоратор опускается в скважину на колонне насосно-компрессорных труб (НКТ), производится его привязка к интервалу перфорации и осуществляются иные подготовительные работы известными способами. Затем в НКТ создается рабочее давление, под действием которого рабочая жидкость начинает воздействовать на клин-поршень 2.

По первому варианту исполнения изобретения под воздействием рабочей жидкости поршень 2 движется поступательно вдоль оси прибора по направлению к режущему узлу 3 и вступает во взаимодействие с верхним плечом 7 двуплечего рычага (коромысла) 6, несущему верхний режущий диск 4, при этом под усилием клин-поршня 2 коромысло б начинает поступательно двигаться вдоль прибора на своей подвижной оси 10 до соприкосновения его нижнего плеча 8 с отклоняющим клином 9. В момент соприкосновения с отклоняющим клином 9 на нижнее плечо 8 коромысла 6 начинается подача встречного оппозитного усилия от отклоняющего клина 9. Под одновременным усилием клин-поршня 2 сверху и отклоняющего клина 9 снизу коромысло 6 поворачивается, равномерно выдвигая в рабочее положение режущие инструменты 4, 5.

По второму из предлагаемых вариантов устройства под воздействием рабочей жидкости поршень 2 движется поступательно вдоль оси прибора по направлению к режущему узлу 3 и вступает во взаимодействие с верхним плечом 7 верхнего двуплечего рычага (коромысла) 6, несущему верхний режущий диск 4, при этом под усилием клин-поршня 2 коромысло 6 начинает поступательно двигаться вдоль прибора на своей подвижной оси 10 до соприкосновения его нижнего плеча 8 с верхним плечом 7 коромысла 11, расположенного ниже. Нижнее коромысло 11 под воздействием верхнего 6 в свою очередь аналогичным образом движется вдоль прибора на своей подвижной оси 10 до соприкосновения с отклоняющим клином 9. В момент соприкосновения с отклоняющим клином 9 на нижнее плечо 8 нижнего коромысла 11 начинается подача встречного оппозитного усилия от отклоняющего клина 9. Под одновременным усилием клин-поршня 2 сверху и отклоняющего клина 9 снизу коромысла 6, 11 взаимодействуют друг с другом и поворачиваются, равномерно выдвигая в рабочее положение режущие инструменты 4, 5.

После приведения режущих инструментов 4, 5 в рабочее положение перфоратору сообщают движение вверх-вниз вдоль оси колонны, при этом поддерживают в нем рабочее давление в соответствии с применяемой технологией перфорации. Режущие инструменты 4, 5 одновременно с равным усилием внедряются под давлением в стенки колонны и формируют в ней как минимум две продольные щели одинакового качества. После вскрытия колонны через гидромониторные насадки 14 может быть проведена гидромониторная обработка ПЗП с разрушением цементного кольца и породы за колонной с формированием каверн.

По окончании работ на интервале перфорации устройство приводится в транспортное положение, например, следующим образом: при снижении рабочего давления поршень 2 совершает обратное движение, увлекая за собой с помощью тяги(тяг) 13 верхнее коромысло 6. При этом вторая тяга 13, прикрепленная одним концом к отклоняющему клину 9, а другим концом закрепленная в пазу 12 коромысла 6, разворачивает коромысло 6, приводя его в транспортное положение. Если устройство содержит более одного коромысла 6, 11, то ниже расположенные коромысла 11 разворачиваются в транспортное положение с помощью тяги(тяг) 13, прикрепленных к выше расположенным коромыслам 6 или к их осям 10, либо наоборот, выше расположенные коромысла 6 разворачиваются в транспортное положение с помощью тяги(тяг) 13, прикрепленных к ниже расположенным коромыслам 11 или к их осям 10. При этом верхнее коромысло 6 может быть связано тягой 13 с поршнем 2, а нижнее кормысло 11 может быть связано тягой 13 с отклоняющим клином 9.

В обоих предлагаемых вариантах устройства могут применяться и другие механизмы возврата выдвигающихся частей в транспортное положение.

Приведенное в транспортное положение устройство извлекается из скважины либо перемещается на новый интервал перфорации для продолжения работы.