Скважинный пробойник-перфоратор

 

Изобретение относится к строительству и ремонту нефтяных, газовых и других скважин и может использоваться для сообщения полости обсадной трубы в скважине в тех случаях, когда необходимо пробить множество отверстий в стенке обсадной колонны на протяженном участке. Обеспечивает пробивку множества отверстий в обсадной колонне за один спуск устройства, многократное внедрение рабочего органа в одно и то же отверстие. Устройство содержит полый, заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами. Каналы сообщены с полостью корпуса. В боковом канале корпуса установлен поршень с рабочим органом. Полый цилиндр жестко связан с корпусом. Шток установлен в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения. В полости цилиндра установлен плунжер. Он связан со штоком и образует с ним штоковую и рабочую камеры. Переводник жестко связан с цилиндром. В качестве рабочей колонны использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости-энергоносителя от насоса. Ее полость гидравлически связана с рабочей камерой и через дроссель - с пространством скважины. Штоковая камера сообщена с пространством скважины. Между плунжером и переводником установлена вспомогательная плунжерная пара. Ее составляющие соединены соответственно с переводником и плунжером. Полость, образованная указанной парой, является замкнутой и изолированной от окружающей среды. 1 ил.

Изобретение относится к строительству и ремонту нефтяных, газовых и других скважин и может использоваться для сообщения полости обсадной трубы в скважине с окружающей средой для получения притока продукции пласта, закачки различных жидкостей и растворов при воздействии на призабойную зону, при проведении изоляционных и прочих работ в тех случаях, когда для указанных целей необходимо пробить множество отверстий в стенке обсадной колонны на участке, имеющем значительную протяженность.

Широко известны и находят всеобщее применение скважинные перфораторы многозарядного исполнения, использующие энергию взрывчатого вещества (ВВ), которые залповым выстрелом пробивают за один спуск устройства в скважину множество отверстий в стенке обсадной колонны или кумулятивными струями, или пулями, или разрывными снарядами ("торпедой"). Указанные перфораторы внутри скважины обычно транспортируются на гибком кабель-канате с помощью лебедки каротажной бригадой.

Недостатки таких устройств заключаются в том, что их сложно доставить в горизонтальные участки забоев скважин, кроме того, часть пуль не пробивает стенки обсадной колонны и падает на забой. Кумулятивные перфораторы обеспечивают получение более надежного сообщения, но при этом диаметры отверстий составляют, по некоторым данным, только около 5 мм, что не всегда достаточно. И, наконец, устройства, использующие ВВ, небезопасны для персонала и, кроме того, приводят к нарушениям целостности обсадной колонны ударной волной взрывов.

Известны перфораторы, спускаемые в скважину на силовом электрическом кабеле-канате, содержащие сверло с электроприводом для вращения, подачи и отвода его из отверстия [1].

Его недостаток - трудность доставки инструмента на кабель-канате в горизонтальные участки забоев скважин, сложность в эксплуатации и обслуживании и связанная с этим недостаточная надежность в работе.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению по техническому исполнению и принципу действия является скважинный пробойник для труб, спускаемый в скважину на рабочей колонне, содержащий полый заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, плунжер, установленный в цилиндре и связанный со штоком и образующий с цилиндром штоковую и рабочую камеры, из которых последняя через отверстие в переводнике сообщается с пространством скважины через обратный клапан, выполненный в виде разрушаемой при взаимодействии с рабочей колонной заглушки [2].

Основной недостаток данного устройства - однократность действия, в результате чего за каждый его спуск в скважину можно получить практически не более 1-3 отверстия. (Определяется числом радиальных боковых каналов в его корпусе). Другой недостаток - для приведения его в действие путем разрушения заглушки под воздействием рабочей колонны устройство должно быть посажено на какой-нибудь упор в скважине. Кроме того, промысловая практика показала, что однократного воздействия его рабочего органа на пробиваемую трубу иногда недостаточно для получения необходимого отверстия в стенке трубы и по этой причине операцию по пробивке приходится выполнять повторно, для чего устройство требуется извлекать из скважины, собрать его с новыми заглушкой и штифтом и снова спускать в скважину.

Целью изобретения является пробивка множества отверстий в обсадной колонне за один спуск скважинного устройства на рабочей колонне, чтобы использовать его в качестве перфоратора для вскрытия протяженного интервала ствола скважины, где не имеется упора. Другая цель изобретения - обеспечение более надежного сообщения полости пробиваемой трубы с окружающей средой через отверстия путем многократного воздействия рабочего органа устройства на пробиваемые отверстия, т.е. обеспечение многократного внедрения рабочего органа в одно и то же отверстие (место) в процессе пробивки.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочей использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости-энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и через дроссель - с пространством скважины, штоковая камера также сообщена с пространством скважины, а между плунжером и переводником установлена вспомогательная плунжерная пара, составляющие которой соединены соответственно с переводником и плунжером, причем полость, образованная указанной парой, является замкнутой и изолирована от окружающей среды.

На чертеже изображен предложенный пробойник-перфоратор, продольный разрез.

Устройство пробойника-перфоратора следующее.

Пробойник-перфоратор спускается в скважину на рабочей колонне труб 1, которая через переводник 2 соединена с цилиндром 3. Полость 4 переводника 2 через дроссель 5 имеет сообщение с пространством скважины, а через канал 6 сообщается с рабочей камерой 7 устройства. В переводнике 2 установлен подпружиненный запорный элемент 8 в виде обратного клапана, который перекрывает сообщение полости рабочей колонны 1 с полостью 4 переводника 2. Запорный элемент 8 подпружинен с силой, достаточной для перекрытия (отсечения) избыточного давления веса столба жидкости в рабочей колонне 1. В цилиндре 3 установлен плунжер 9 привода, взаимодействующий с уплотнительным элементом 10, которые образуют под плунжером штоковую камеру 11. Штоковая камера 11 через отверстия 12 сообщена с внешней средой - пространством скважины. На торце плунжера 9 установлен шток 13, который через сальник 14 входит в осевую полость 15 корпуса 16, заполненную жидкостью.

В корпусе 16 выполнен боковой канал 17, где размещен силовой поршень 18 с рабочим органом 19 - колющим наконечником. Боковой канал 17 и полость 15 корпуса 16 сообщены каналом 20.

В рабочей камере 7 устройства установлена еще одна - вспомогательная плунжерная пара, цилиндр которой образован внутренней полостью плунжера 9, где размещен уплотнительный элемент 21. Плунжер 22 данной пары фиксирован на переводнике 2. Полость 23, образованная внутренней частью плунжера 9, плунжером 22 и уплотнением 21, является замкнутой и содержит воздух под атмосферным давлением, оставшийся в процессе сборки устройства на поверхности.

Работа пробойника-перфоратора.

Во время спуска устройства в скважину его элементы находятся в положении, изображенном на фиг. 1, так как давление окружающей среды удерживает плунжер 9 со штоком 13 в крайнем верхнем положении, поскольку оно (окружающее давление), действующее на плунжер 9 снизу через отверстия 12 и сверху через дроссель 5 и канал 6, превышает атмосферное давление воздуха в полости 23 вспомогательной плунжерной пары. После достижения пробиваемого интервала устройство останавливается и в рабочую колонну 1 закачивается силовая жидкость, которая, открыв запорный элемент 8, поступает в полость 4 переводника. Поскольку по пути истечения силовой жидкости из полости 4 в скважину установлен дроссель 5, в полости 4 создается избыточное давление по сравнению с полостью скважины. В результате этого избыточное давление рабочей жидкости через канал 6 действует на кольцевую площадь плунжера 9 и перемещает его вместе со штоком 13 вниз, вытесняя жидкость из штоковой камеры 11 в скважину через отверстие 12.

При внедрении штока 13 в сальник 14 и осевую полость 15 жидкость из последней через канал 20 перетекает под поршень 18 и происходит внедрение рабочего органа 19 в стенку пробиваемой колонны труб. В процессе перемещения плунжера 9 вниз плунжер 22 вспомогательной пары остается неподвижным, т.к. он фиксирован на переводнике 2. По этой причине происходит увеличение объема замкнутой полости 23, где в воздухе, имеющем начальное атмосферное давление, еще более снижается давление. (Температурные влияния на давление воздуха в полости 23 малы). Далее закачка жидкости в рабочую колонну 1 прекращается и на устье из рабочей колонны стравливается избыточное давление. После этого запорный элемент 8 перекрывает сообщение полости рабочей колонны 1 с полостью 4 переводника 2. По этой причине давление в рабочей камере 7, в полости 4 снижается до давления, имеющегося в окружающей среде, т.к. указанные три полости сообщаются через канал 6 и дроссель 5 между собой. Поскольку давление окружающей среды через отверстия 12 действует и на нижний торец плунжера 9, последний под действием разности давлений в полости 23 и в штоковой полости 11 перемещается вверх, сжимая воздух в полости 23 до исходного (атмосферного) давления. При этом жидкость из рабочей камеры 7 над кольцевой площадью плунжера 9 вытесняется в скважину через канал 6 и дроссель 5. Устройство, таким образом, возвращается в исходное положение. Для пробивки следующего отверстия описанные манипуляции повторяют, предварительно переместив пробойник-перфоратор на другую глубину. В случае необходимости получения одного отверстия несколькими внедрениями наконечника работу устройства повторяют на том же месте.

Заметим, что запорный элемент 8, отсекающий вес столба жидкости от устройства, не является обязательной частью устройства. При его отсутствии работа устройства происходит так же, как описано выше. Однако при его отсутствии после пробивки и прекращения закачки силовой жидкости в рабочую колонну 1 столб жидкости из последней может сливаться в скважину через дроссель 5 до тех пор, пока не произойдет выравнивание давления в полостях 1, 4 и в скважине. Это обстоятельство при низких забойных давлениях может быть иногда нежелательным. Кроме того, в рассматриваемом случае при пробивке очередного отверстия в колонну труб 1 каждый раз придется снова доливать жидкость. По указанной причине подпружиненный клапан 8 желательно использовать, тем более что он одновременно предупреждает попадание продукции скважины в рабочую колонну.

По вопросу соответствия предложенного устройства критерию "изобретательский уровень" сообщаем следующее.

Несмотря на то, что мы более чем четверти века интенсивно работаем над разработками пробойников различного типа и назначения, а также новых технологий, основанных на их использовании (наше первое а.с. 673724 относится к 1975 г.), нам не известны устройства, совпадающие или эквивалентные описанному в настоящей заявке; так, в частности, нам неизвестны пробойники неограниченно многократного действия, как предложенный.

Как известно, в последние годы широкое развитие получает разработка и доразработка нефтяных и газовых месторождений с помощью проходки в пласте горизонтальных участков скважин, которые имеют при этом протяженность горизонтального забоя в сотни метров. Нередко эти "горизонтальные" скважины имеют даже восходящие участки. Как правило, они выполняются с использованием новейших технологий, например, основанных на применении гибких колонн труб, сворачиваемых на устье в рулоны (колтюбинговые технологии). На такие участки забоя трудно доставить традиционные перфораторные устройства, спускаемые на кабель-канате. В связи с этими обстоятельствами нам представляется весьма перспективной использование описанного устройства и при заканчивании скважин с применением гибких колонн труб, в том числе с созданием циркуляции с помощью газообразного азота, когда вскрытие пласта производится с обеспечением (поддержанием) необходимой депрессии на призабойную зону. Важно отметить, что мы, авторы, не противопоставляем описанный инструмент традиционным перфораторам, т.к. чем богаче арсенал технических средств, тем успешнее решение тех или иных технологических проблем. Тем не менее здесь считаем возможным указать, что согласно нашим проработкам уже сегодня для обсадных труб 168•10 мм и более можно разработать пробойники-перфораторы описанной конструкции, и развивающие на наконечнике усилия до 50-70 тонн. Наши предварительные расчеты показывают, что работа воздействия его рабочего органа на трубу при таких показателях даже за одно внедрение превышает кинетическую энергию пули калибра 12,7 мм (0,5 дюйма) скважинного перфоратора. Принимая во внимание, что предложенный пробойник-перфоратор может пробивать каждое отверстие путем нескольких внедрений своего рабочего наконечника, можно ожидать хорошую эффективность патентуемого заявляемого устройства в ряде условий его использования. В настоящее время предложенный (непрерывного действия) пробойник-перфоратор разработан нами для труб 89•6,5, в т.ч. высоких групп прочности (конкретные цифры по некоторым параметрам устройства, приведенные по ходу описания, относятся именно к пробойнику указанного размера). Наш опыт разработки, изготовления и эксплуатации пробойников "разового" действия для труб 48•4,0-114•7,0 (различного типа и принципа привода) дает основания ожидать, что нет принципиальных трудностей и при разработке предложенных пробойников-перфораторов для труб 73•5,5, а в последующем, после уточнения некоторых вопросов "ноу-хау", и для труб 60•5,0 (при необходимости).

На наш взгляд, предложенное устройство может найти некоторое применение и в необсаженных скважинах, продуктивная часть ствола которых проходит через плотные породы. В таких скважинах оно может быть использовано для создания первоначальных трещин и каверн на стенке ствола скважины перед проведением операций по гидроразрыву призабойной зоны.

Литература 1. Сверлящий перфоратор типа "ППС 112-60", ГНПП "Азимут" при УГНТУ.

2. Патент РФ 2057894.

3. Патент РФ 673724.

Формула изобретения

Скважинный пробойник-перфоратор, спускаемый в скважину на рабочей колонне, содержащий полый, заполненный жидкостью корпус с боковыми каналами, сообщающимися с полостью корпуса, установленный в боковом канале корпуса поршень с рабочим органом, жестко связанный с корпусом полый цилиндр, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, связанный со штоком плунжер, установленный в полости цилиндра и образующий с ним штоковую и рабочую камеры, переводник, жестко связанный с цилиндром, отличающийся тем, что в качестве рабочей использована колонна труб с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости-энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и через дроссель - с пространством скважины, штоковая камера также сообщена с пространством скважины, а между плунжером и переводником установлена вспомогательная плунжерная пара, составляющие которой соединены соответственно с переводником и плунжером, причем полость, образованная указанной парой, является замкнутой и изолированной от окружающей среды.

РИСУНКИ

Рисунок 1