Перфоратор для получения каналов в обсаженной скважине
Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для вторичного вскрытия пластов обсаженных скважин. Технический результат - отсутствие сбоя в последовательности проведения операций, смена изношенного долота без подъема колонны труб и перфорация каналов с заданным расстоянием между ними. Перфоратор для получения каналов в обсаженной скважине включает спускаемый на трубах корпус с подвижной кареткой, содержащей инструмент, выполненный в виде сверла, для получения отверстия в обсадной колонне с гидроприводом продольного перемещения, сообщающимся с полостью труб и снабженным приводом вращения, долото для бурения горной породы, установленное на полом гибком валу, соединенном с полым ведущим валом, снабженным гидроприводом продольного перемещения и приводом вращения, и привод для позиционирования каретки с инструментом напротив обсадной колонны или долота напротив отверстия в обсадной колонне, а также якорь для фиксации перфоратора на заданной глубине и гидравлический отклонитель. Перфоратор содержит реверсивный привод для позиционирования каретки и вращения инструмента или гибкого вала с долотом. При этом долото с гибким валом и гидроприводом выполнены с возможностью перемещения внутри труб средствами перемещения. Якорь установлен вне корпуса и находится в резьбовом соединении с переводником, соединенным с корпусом. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для вторичного вскрытия пластов обсаженных скважин.
Известно устройство глубокой перфорации обсаженных скважин, включающее спускаемый на трубах в скважину на заданную глубину корпус, содержащий направляющую, кольцевое уплотнение гидропривода вращения и продольного перемещения и гидравлический отклонитель типа поршень-цилиндр, а также анкер, размещенный вне корпуса и связанный с ним резьбовым соединением посредством переводника. При помощи средств перемещения внутри колонны труб спускают гидропривод вращения и продольного перемещения, соединенный с гибким валом, снабженным разрушающей головкой. Гидропривод состоит из последовательно установленных гидравлического двигателя и привода продольного перемещения типа поршень-цилиндр, причем при достижении заданной глубины перфорации поршень садится в гнездо цилиндра, создавая избыточное давление, индицирующее окончание процесса перфорации [1].
Недостатки устройства следующие.
1. Операции сверления и бурения производятся одной и той же разрушающей головкой. Однако алмазный инструмент не обеспечивает эффективное сверление металла обсадных труб, а твердосплавный - достаточно глубокое бурение.
2. Сверление металла при помощи гибкого вала головкой большего диаметра, чем вал в направляющей еще большего диаметра, также неэффективно, т.к. возникают значительные биения гибкого вала. Биения и удары приводят к разрушению гибкого вала и других элементов привода.
3. Двигатели малого диаметра, спускаемые на тросе внутри насосно-компрессорных труб, имеют небольшую мощность. Это снижает скорость разрушения и производительность устройства.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство для бурения глубоких перфорационных каналов в горных породах, включающее спускаемый на трубах корпус с подвижной кареткой, содержащей инструмент для получения отверстия в обсадной колонне с гидроприводом продольного перемещения, сообщающимся с полостью труб и снабженным приводом вращения, долото для бурения горной породы, установленное на полом гибком валу, соединенном с полым ведущим валом, снабженным гидроприводом продольного перемещения и приводом вращения, а также привод для позиционирования каретки с инструментом напротив обсадной колонны или долота напротив отверстия в обсадной колонне. Устройство содержит также якорь для фиксации перфоратора на заданной глубине и гидравлический отклонитель.
Устройство спускают на трубах на требуемую глубину, заякоривают, перемещают каретку в исходное положение и производят сверление. Затем производят перемещение каретки, устанавливая на его место долото, позиционируя его соосно с полученным отверстием в обсадной колонне. Производят бурение горной породы долотом с промывкой канала вращением гибкого вала, снабженного гидравлическим двигателем, с продольным перемещением поршневым гидроприводом. После окончания бурения втягивают гибкий вал с долотом в корпус устройства и перемещают каретку в исходное положение. Все операции по сверлению и бурению осуществляются семью последовательными циклами нагнетания и сброса давления на устье скважины, воздействующими на клапаны блока управления, запрограммированного на определенную последовательность операций и выдающего гидравлические сигналы на соответствующие исполнительные механизмы.
Для получения каждого последующего канала освобождают якорь, перемещают колонну в требуемое положение и вновь заякоривают [2].
Устройство имеет следующие недостатки.
1. В процессе работы насоса на поверхности возможны сбросы давления вследствие поломки насоса, отключения электроэнергии и других причин, поэтому использование гидравлической системы управления работой устройства нагнетанием и сбросом давления с поверхности может привести к сбою в его работе.
2. Для смены изношенного долота требуются значительные затраты времени и средств, т.к. необходимо поднять на трубах все устройство.
3. Для получения последующих перфорационных каналов необходимо срывать якорь и производить перемещение колонны труб, что не позволяет на больших глубинах получать равномерно расположенные каналы.
Задачей изобретения является создание перфоратора, в котором исключается сбой в последовательности проведения операций при работе устройства, смена изношенного долота производится без подъема колонны труб и перфорация каналов с заданным расстоянием между ними.
Для успешного решения поставленной задачи в известном перфораторе для получения каналов в обсаженной скважине, включающем спускаемый на трубах корпус с подвижной кареткой, содержащей инструмент для получения отверстия в обсадной колонне с гидроприводом продольного перемещения, сообщающимся с полостью труб и снабженным приводом вращения, долото для бурения горной породы, установленное на полом гибком валу, соединенном с полым ведущим валом, снабженным гидроприводом продольного перемещения и приводом вращения, а также привод для позиционирования каретки с инструментом напротив обсадной колонны или долота напротив отверстия в обсадной колонне и якорь для фиксации перфоратора на заданной глубине и гидравлический отклонитель, содержит реверсивный привод для позиционирования каретки и вращения сверла или гибкого вала с долотом, причем долото с гибким валом и гидроприводом выполнены с возможностью перемещения внутри труб средствами перемещения, а якорь установлен вне корпуса и находится в резьбовом соединении с переводником, соединенным с корпусом; каретка позиционируется при помощи передачи винт-гайка, выполненной с возможностью вращения винта реверсивным приводом без перемещения гайки в крайних положениях, а передача вращения сверлу или долоту производится при помощи муфт одностороннего вращения; гидропривод установленного на гибком валу долота состоит из полого ведущего вала, выполненного с возможностью продольного перемещения и подвижного соединения с приводом вращения и имеющего утолщение, образующее с трубами негерметизированную пару типа поршень-цилиндр и выполненное с возможностью посадки и перекрытия гидравлических каналов в гнезде корпуса перфоратора; гидропривод содержит перфорированный сверху цилиндр с гнездом и гидравлическими каналами, соединенный со средствами перемещения и выполненный с возможностью продольного перемещения и соединения с приводом вращения, причем цилиндр гидропривода находится в подвижном соединении с ведущим валом, имеющим утолщение, образующее с цилиндром негерметизированную пару поршень-цилиндр и выполненное с возможностью посадки и перекрытия гидравлических каналов в гнезде цилиндра.
Указанные признаки позволяют устранить недостатки, присущие прототипу, за счет использования возможности перемещения тросом гибкого вала с долотом и гидроприводом для смены долота, системы управления, состоящей из привода позиционирования каретки посредством реверсивного вращения двигателя с попеременным вращением сверла или долота при помощи муфт одностороннего вращения, а также перемещения корпуса перфоратора по винтовой линии после каждой перфорации без срыва якоря.
Нам не известны перфораторы, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого устройства требованиям, предъявляемым к изобретениям.
На фиг.1 схематично изображен перфоратор для получения каналов в обсаженных скважинах в положении сверления обсадной колонны, а на фиг.2 - вариант осуществления гидропривода долота.
Перфоратор содержит спускаемый на трубах 1 корпус 2, соединенный с якорем 3 переводником 4 с резьбой с крупным шагом. В корпусе 2 установлена каретка 5 для последовательного позиционирования инструмента 6, например сверла, для получения отверстия в обсадной колонне, а затем долота 7 напротив этого отверстия. Расстояние между осями сверла 6 и долота 7 равно перемещению каретки 5, находящейся в шпоночном соединении с корпусом 2.
В верхнем положении каретки 5 производится сверление обсадной колонны сверлом 6. В нижнем положении каретки 5 производится бурение горной породы долотом 7. Перемещение каретки 5 в верхнее и нижнее положения производится при помощи передачи 8 винт-гайка посредством вращения винта 9 реверсивным двигателем 10. Гайка 11 зафиксирована в каретке 5. Передача 8 винт-гайка выполнена таким образом, что в верхнем и нижнем положениях гайка 11 и каретка 5 не перемещаются при вращении двигателя 10.
Сверло 6 имеет подпружиненный гидропривод 12 продольного перемещения типа поршень-цилиндр, соединенный с полостью труб, и привод 13 вращения, выполненный в виде червячной передачи.
Долото 7 соединено с полым гибким валом 14, установленным в направляющей 15, нижняя часть которой перемещается вместе с кареткой 5. Гибкий вал 14 соединен с полым приводным валом 16. Гидропривод 17 продольного перемещения долота 7 обеспечивается утолщением 18 приводного вала 16, образующим с полостью колонны труб 1 негерметизированную пару типа поршень-цилиндр и сообщающимся гидравлическим каналом 19 с полостью скважины. Утолщение 18 в нижнем положении входит в герметичное соединение с сопрягаемой поверхностью гнезда 20. Вращение приводному валу 16 передается посредством шпоночного соединения 21 с зубчатой передачей 22 привода реверсивного двигателя 10.
Гибкий вал 14 с долотом 7 и их гидропривод 17 продольного перемещения выполнены с возможностью перемещения внутри труб 1 при помощи средств перемещения, например троса 23.
Привод во вращение осуществляется при помощи реверсивного электродвигателя 10, соединенного кабелем со станцией управления, установленной на поверхности (не показаны). Вал 24 двигателя 10 соединен посредством храпового механизма 25 и раздаточного узла 26 с винтом 9 каретки 5, валом 27 привода долота 7 и шлицевым валом 28 привода сверла 6. Передача вращения долоту 7 и сверлу 6 производится только в одном направлении при помощи муфт 29 и 30 одностороннего вращения, например обгонных муфт.
Гидравлический отклонитель 31 типа поршень-цилиндр установлен в корпусе 2 соосно направляющей 15. Полости цилиндров отклонителя 31 и гидропривода продольного перемещения 12 сверла соединены с полостью колонны труб 1 рукавами высокого давления (не показаны) посредством штуцеров 32, 33 и 34. Полости рукавов, отклонителя 31 и гидропривода 12 сверла могут быть заполнены маслом и присоединены к штуцеру 34 посредством разделителя 35. Жидкость ниже гнезда 20 частично сбрасывается в полость 36 позади сверла 6 посредством штуцеров 37 и 38, соединенных рукавом (не показан).
Для предотвращения влияния веса троса 23 на нагрузку на долото 7 на фиг.2 приведена конструкция гидропривода 17, спускаемого внутри колонны труб 1. Гидропривод 17 содержит дополнительно перфорированный сверху цилиндр 39, имеющий снизу конусную поверхность 40, сопрягаемую с нижней поверхностью утолщения 18, а также шлицевой узел 41. Внутренние шлицы 42 узла 41 входят с подвижное соединение с приводным валом 16, а внешние шлицы 43 выполнены с возможностью создания подвижного соединения со шлицами 44 зубчатой передачи 22. В нижней части трубы 1 имеется конусная поверхность 45, сопрягаемая с конусной поверхностью 40 цилиндра, 39 снабженной отверстиями 46. Ниже конусной поверхности 45 содержатся герметизированные уплотнением 47 отверстия, соединенные с каналом 19 и штуцером 37.
Перфоратор работает следующим образом.
Корпус 2 перфоратора спускают на колонне труб 1 до заданной глубины и фиксируют при помощи якоря 3.
На тросе 23 внутри труб 1 спускают гибкий вал 14 с долотом 7 и их гидроприводом 17 продольного перемещения.
Включают реверсивный двигатель 10 в направлении вращения, соответствующем перемещению каретки 5 в верхнее положение. Вал 24 через храповой механизм 25 и раздаточный узел 26 вращает винт 9 передачи 8 винт-гайка качения, перемещая гайку 11 вместе с кареткой 5 в верхнее положение. В данном положении каретка 5 остается все время вращения двигателя 10 в этом направлении. Одновременно происходит передача момента вращения по шлицевому валу 28 через обгонную муфту 30 на привод вращения 13 сверла 6, вращая его. При этом подпружиненное сверло 6 находится внутри каретки 5. Через муфту 29 вращение на долото 7 не передается.
После выдержки времени, необходимого для перемещения каретки 5, нагнетают избыточное давление в колонне труб 1. Давление передается по рукаву высокого давления через штуцера 34 и 32 в полость цилиндра отклонителя 31, прижимающего корпус 2 перфоратора к стенке скважины, при этом переводник 4 допускает небольшие перемещения корпуса 2 в радиальном направлении относительно якоря 3. Одновременно давление через разделитель 35 по рукаву через штуцер 33 подается в полость гидропривода 12 продольного перемещения сверла 6, создавая на нем продольную нагрузку. Кроме того, промывочная жидкость подается в полость 36 посредством штуцеров 37 и 38, омывая сверло 6. Происходит сверление обсадной колонны, при завершении которого сверло 6 совершает холостое вращение. Это приводит к падению тока двигателя 10, которое регистрируется на поверхности и служит сигналом окончания процесса сверления. Гибкий вал 14 с долотом 7 удерживается в исходном состоянии тросом 23.
Сбрасывают избыточное давление жидкости в трубах 1, что приводит к втягиванию сверла 6 и гидропривода 12 внутрь каретки 5 посредством пружины.
Производят реверс двигателя 10. Вал 24 через храповой механизм 25 и раздаточный узел 26 вращает винт 9 передачи 8 винт-гайка, перемещая гайку 11 вместе с кареткой 5 в нижнее положение, в котором долото 7 находится напротив отверстия в обсадной колонне, просверленного на предыдущем этапе. В этом положении каретка 5 остается все время вращения двигателя 10 в данном направлении. Одновременно происходит передача момента вращения на вал 27 привода долота и посредством зубчатой передачи 22 и шпоночного соединения 21 на приводной вал 16. При этом приводной вал 16 вращает гибкий вал 14 и долото 7, не совершающее продольного перемещения. Сверло 6 не вращается ввиду наличия обгонной муфты 30. После выдержки времени, достаточного для перемещения каретки 5 в заданное положение, создают избыточное давление в колонне труб 1. Давление, подаваемое на гидропривод 17 продольного перемещения долота 7, создает посредством утолщения 18 продольное усилие на приводном 16 и гибком 14 валах, передающих нагрузку на долото 7. Одновременно производится промывка канала жидкостью, поступающей из труб 1 в валы 16 и 14 и вытекающей из сопла долота 7. Происходит бурение горной породы, после завершения которого утолщение 18 гидропривода 17 садится в сопрягаемую поверхность гнезда 20, что приводит к резкому повышению давления, а долото 7 вращается вхолостую и ток на двигателе 10 снижается.
Согласно варианту конструкции гидропривода 17 (фиг.2) его перемещают в трубах вниз до упора, при этом шлицы 44 зубчатой передачи 22 входят в соединение со шлицами 43 привода вала 16, а нижняя часть гидропривода 17 герметизируется уплотнением 47. При вращении двигателя 10 момент вращения передается с вала 27 на зубчатую передачу 22, шлицы 44 и 43, 42 узла 41, вращая приводной вал 16. При создании избыточного давления продольная нагрузка передается на долото 7 посредством утолщения 18, приводного 16 и гибкого 14 валов. Часть жидкости проходит через отверстия 46 и поступает в канал 19 и штуцер 37. При завершении процесса бурения конусная поверхность утолщения 18 садится в сопрягаемую поверхность 40 корпуса гидропривода 17, сигнализируя завершение бурения.
Прекращают бурение и тросом 23 вытаскивают гидропривод 17 и гибкий вал 14 с долотом 7 из пробуренного канала при наличии вращения и циркуляции или без них.
Для получения следующего перфорационного канала вращают колонну труб 1 переводником 4 относительно якоря 3 на определенное число витков, перемещая корпус 2 по винтовой линии в заданную точку. Повторяют операции сверления и бурения, описанные выше.
При износе долота 7 производят его подъем на тросе 23 вместе с гидроприводом 17 и гибким валом 14, смену долота 7 и спуск на тросе 23.
После завершения процесса перфорации срывают якорь 3 и производят подъем перфоратора.
Источники информации
1 Патент РФ №2255196 от 27.06.2006 г.
2 Патент Канады №2238782 от 11.05.1999 г.
1. Перфоратор получения каналов в обсаженной скважине, включающий спускаемый на трубах корпус с подвижной кареткой, содержащей инструмент в виде сверла для получения отверстия в обсадной колонне с гидроприводом продольного перемещения, сообщающимся с полостью труб и снабженным приводом вращения, долото для бурения горной породы, установленное на полом гибком вале, соединенном с полым ведущим валом, снабженным гидроприводом продольного перемещения и приводом вращения, и привод для позиционирования каретки с инструментом напротив обсадной колонны или долота напротив отверстия в обсадной колонне, а также якорь для фиксации перфоратора на заданной глубине и гидравлический отклонитель, отличающийся тем, что содержит реверсивный привод для позиционирования каретки и вращения сверла или гибкого вала с долотом, причем долото с гибким валом и гидроприводом выполнены с возможностью перемещения внутри труб средствами перемещения, а якорь установлен вне корпуса и находится в резьбовом соединении с переводником, соединенным с корпусом.
2. Перфоратор по п.1, отличающийся тем, что каретка позиционируется при помощи передачи винт-гайка, выполненной с возможностью вращения винта реверсивным приводом без перемещения гайки в крайних положениях, а передача вращения сверлу или долоту производится при помощи муфт одностороннего вращения.
3. Перфоратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что гидропривод установленного на гибком вале долота состоит из полого ведущего вала, выполненного с возможностью продольного перемещения и подвижного соединения с приводом вращения и имеющего утолщение, образующее с трубами негерметизированную пару типа поршень-цилиндр и выполненное с возможностью посадки и перекрытия гидравлических каналов в гнезде корпуса перфоратора.
4. Перфоратор по п.1 или 2, отличающийся тем, что гидропривод содержит перфорированный сверху цилиндр с гнездом и гидравлическими каналами, соединенный со средствами перемещения и выполненный с возможностью продольного перемещения и соединения с приводом вращения, причем цилиндр гидропривода находится в подвижном соединении с ведущим валом, имеющим утолщение, образующее с цилиндром негерметизированную пару поршень-цилиндр и выполненное с возможностью посадки и перекрытия гидравлических каналов в гнезде цилиндра.
