Устройство для перфорации обсаженной скважины

 

Использование: в нефтяной промышленности. Обеспечивает надежность и удобство в эксплуатации, снижение энергетических и эксплуатационных затрат, увеличивает срок службы и сохраняет целостность заколонного цементного камня. Сущность изобретения: устройство выполнено в виде цилиндрического корпуса с центральным каналом, кольцевой канавкой, обводным каналом, отклонителем и радиальными каналами. Сверху в центральный канал введена втулка с наружным конусом, поршнем и боковым каналом. Установленные снаружи втулки гидроцилиндр с поршнем клиновыми плашками, взаимодействующими с наружным конусом, образуют механизм стопорения в скважине. Внизу корпуса размещен механизм вырезки окна в обсадной колонне. Он содержит концевую фрезу или сверло, две пары шестерен, шпиндель, винт осевой подачи концевой фрезы, вал, гидродвигатель, и реверс. В районе механизма вырезки окна в корпусе размещен распорный механизм с гидроцилиндром, поршнем, клином и радиальными упорами. Механизм выдвижения гибкого рукава с гидромониторным соплом через вырезанное окно за пределы обсадной колонны в пласт содержит размещенные в корпусе гидроцилиндр, поршень на полом штоке с радиальными отверстиями. В корпусе размещен механизм его осевого перемещения с гидроцилиндром и поршень. Ход поршня, расстояние между осями концевой фрезы и сопла и расстояние от нижнего торца втулки до кольцевой канавки выполнены одинаковыми. Расстояние между радиальными отверстиями и радиальными каналами выполнено равным ходу поршня. Подача рабочей жидкости с давлением одной из трех степеней в каждый гидроцилиндр и гидродвигатель через гидравлическую систему с отсекателем и золотниками управления с взаимно тарированными пружинами обеспечивает автономную и автоматическую работу каждого механизма, доведение сигнала на поверхность скважины через линию подачи жидкости о завершении проведения каждой операции и возврат механизмов в исходное положение. 2 ил.

Изобретение относится к оборудованию, используемому в нефтегазодобывающей промышленности для вскрытия продуктивных пластов путем вырезки перфорационных окон в стенках обсадной колонны скважины и создания перфорационных каналов большой протяженности в породе продуктивного пласта.

Известен гидравлический зондовый перфоратор (см., например, авт. свид. СССР N 916744 М. Кл³. E 21 B 43/114, заявлено 28.11.80, опубликовано 30.03.82, бюллетень N 12, заявка N 3210436/22-03), включающий корпус, связанный вверху с гидроцилиндром, внутри которого установлен тормозной поршень регулятора движения гибкого рукава с гидромониторным соплом на конце и разделительная перегородка с жиклером. Гибкий рукав от тормозного поршня проходит через разделительную перегородку в его отклонитель (поворотно-направляющий канал), выполненный в корпусе. На внешней стороне корпуса на пальце установлен пробойник, на уровне его нижнего конца в корпусе радиально выполнена герметичная камера, в которой установлен силовой поршень с осевым каналом, образующий с нижним концом отклонителя гибкого рукава герметичное подвижное соединение. Нижним концом корпус соединен с мультипликатором давления, камера высокого давления которого связана каналом с герметичной камерой силового поршня, а камера низкого давления соединена обводным каналом с внутренней полостью гидроцилиндра над тормозным поршнем. Полость гидроцилиндра под разделительной перегородкой сообщена через радиальное отверстие с внутренней полостью обсадной колонны. Перфоратор на колонне труб спускается в скважину. Через колонну труб рабочая жидкость подается в полость гидроцилиндра, откуда по обводному каналу она поступает в камеру низкого давления мультипликатора, а по гибкому рукаву - к его гидромониторному соплу. Производят подбор давления так, чтобы в герметичной камере на силовой поршень из камеры высокого давления мультипликатора через канал создавалось бы давление, обеспечивающее вскрытие пробойником стенки обсадной колонны и надежное разрушение породы продуктивного пласта струей из гидромониторного сопла гибкого рукава, скорость движения которого в образуемом перфорационном канале пласта задают расходом жидкости через жиклер из-под тормозного поршня в полость гидроцилиндра под разделительной перегородкой. Для возврата гибкого рукава в исходное положение по межтрубному пространству скважины подают рабочую жидкость, она через радиальное отверстие поступает в полость гидроцилиндра под разделительную перегородку, откуда через жиклер подается под тормозной поршень, перемещая последний вместе с гибким рукавом вверх в крайнее исходное положение.

Недостатком такого перфоратора является то, что при вскрытии стенок обсадной колонны пробойником образуются рваные отверстия и разрушается (растрескивается) заколонный цементный камень. Кроме того, в известном перфораторе нет возможности установить окончание процесса вскрытия стенок обсадной колонны пробойником и окончание образования перфорационного канала в породе продуктивного пласта струей жидкости через гидромониторное сопло гибкого рукава.

Наиболее близким(прототипом) к заявляемому техническому решению из числа известных средств того же назначения является изобретение "Устройство для перфорации обсаженной скважины" по авт. свид. СССР N 883350 М. Кл³. E 21 B 43/114, заявлено 10.05.78, опубликовано 23.11.81, бюллетень N 43, заявка N 2612767/22-03, включающее корпус, в котором размещены механизм вырезки окна в обсадной колонне, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава с размещенным в гидроцилиндре полым штоком и поршнем, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления устройством.

Механизм вырезки окна в обсадной колонне размещен в нижней части корпуса, выполнен в виде гидроперфоратора, насадки которого в корпусе расположены под углом к оси устройства. Гибкий рукав с гидромониторным соплом на его конце размещен в отклонителе корпуса. Верхний конец гибкого рукава связан с нижним концом полого штока, на котором закреплен поршень с капилляром, соединяющим подпоршневую и надпоршневую полости гидроцилиндра. Внутренняя подпоршневая полость гидроцилиндра заполнена маслом. Верхний конец полого штока плотно входит вовнутрь выходного патрубка дифференциальной втулки, которая с верхнего торца соединена с выходным патрубком кольцевой перегородкой с отверстиями. Дифференциальная втулка в крайнем верхнем положении фиксируется пружинным якорем и возвратной пружиной. Над верхним торцем полого штока в корпусе установлена заглушка с отверстиями.

Устройство на трубах спускают в скважину в интервал перфорации. При исходном состоянии, когда полый шток с поршнем и дифференциальная втулка находятся в своем верхнем положении, рабочую жидкость с абразивом подают через колонну труб. Из пространства над заглушкой полого штока рабочая жидкость с абразивом через отверстие в заглушке, через отверстие в кольцевой перегородке дифференциальной втулки и радиальное отверстие во внутренней стенке корпуса поступает в кольцевой канал корпуса и далее - к насадкам гидроперфоратора. В течение заданного времени подачи рабочей жидкости по указанной выше линии производится вырезка перфорационного окна в стенке обсадной колонны. Затем, увеличивая давление нагнетания рабочей жидкости с абразивом на расчетную величину, добиваются возникновения усилия на дифференциальную втулку выше усилия срыва пружинного якоря. После срыва последнего дифференциальная втулка движется вниз, сжимая возвратную пружину, и своим концом закрывает радиальное отверстие во внутренней стенке корпуса, перекрывая тем самым доступ рабочей жидкости с абразивом к насадкам гидроперфоратора. Но поскольку при движении дифференциальной втулки вниз открывается зазор между заглушкой и верхним концом полого штока, рабочая жидкость с абразивом из пространства над заглушкой проходит по другой линии подачи: она через отверстия заглушки и открытый полый шток подается в гибкий рукав и к его гидромониторному соплу, образуя через выполненное в обсадной колонне окно перфорационный канал в породе продуктивного пласта. Вся система, состоящая из полого штока, поршня и гибкого рукава с гидромониторным соплом, при этом двигается вниз. Скорость движения этой системы регулируется вязкостью масла в подпоршневой камере гидроцилиндра и диаметром капилляра, выполненного в поршне, закрепленном на полом штоке. После окончания работ давление нагнетания рабочей жидкости с абразивом снижают, усилие на дифференциальную втулку уменьшается, и она под действием возвратной пружины возвращается в исходное положение, в котором фиксируется пружинным якорем.

Недостатком известного по прототипу устройства является то, что оно имеет малый срок службы, так как наличие абразива в рабочей жидкости, когда такая рабочая жидкость с абразивом используется во всех операциях рабочего процесса известного устройства и циркулирует при этом по всем его основным элементам, происходит интенсивный износ элементов устройства, существенно сокращая срок его службы. Кроме того, известное устройство требует повышенных энергозатрат, так как для обеспечения вырезки окон в обсадной колонне гидропескоструйным способом требуется несколько насосных агрегатов. Вместе с этим используемое нефтепромысловое оборудование: насосные агрегаты и колонны подводных и насосно-компрессорных труб из-за перекачки по ним жидкости с абразивом сами так же, как и устройство по прототипу, подвергаются интенсивному износу и по этой причине их срок службы также сокращается, увеличивая эксплуатационные затраты.

Устройство по прототипу имеет недостаточную эксплуатационную надежность, так как его конструкция не предусматривает подачу на поверхность скважины сигнала об окончании вырезки окна в стенке обсадной колонны, а ориентирование на заданное время проведения этой операции не во всех случаях обеспечивает полное завершение операции, что создает эксплуатационные затруднения, после вырезки окна в стенке обсадной колонны гибкий рукав с гидромониторным соплом не во всех случаях попадает в вырезанное окно, т.к. при вырезке окна в стенке обсадной колонны гидроперфоратором практически в большинстве случаев происходит смещение осей вырезанного окна и гибкого рукава по вертикали и в горизонтальной плоскости, что осложняет дальнейшие работы, сложно установить, на всю ли длину вошел гибкий рукав в образуемый перфорационный канал в продуктивном пласте, и нельзя получить сигнал о том, что гибкий рукав полностью возвращен в исходное положение после окончания работ, что осложняет эксплуатацию устройства по прототипу.

Целью заявляемого изобретения является получение нового технического результата, а именно: повышение эксплуатационной надежности устройства и обеспечение удобства в эксплуатации при одновременном снижении энергетических и эксплуатационных затрат, увеличении срока службы устройства и обеспечении при его работе целостности заколонного цементного камня.

Указанная цель достигается тем, что в известном устройстве для перфорации обсаженной скважины, спускаемом на трубах, включающем корпус, в котором размещены механизм вырезки окна в обсадной колонне, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава с размещенным в гидроцилиндре полым штоком и поршнем, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления устройством, нами введены следующие новые конструктивные признаки: механизм вырезки окна в обсадной колонне выполнен в виде концевой фрезы (или сверла), хвостовик которой жестко посажен в пиноль, связанную шлицами со шпинделем, на последнем соосно размещены две шестерни, при этом одна из шестерен жестко связана со шпинделем, а вторая шестерня жестко связана с винтом продольной подачи концевой фрезы, обе шестерни введены в зацепление с двумя шестернями, жестко посаженными на приводной вал, механически связанный с гидродвигателем, кроме того, механизм вырезки окна в обсадной колонне дополнительно снабжен ползуном, механически связанным с клапанами-отсекателями гидродвигателя и кинематически связанным с приводным валом, полый шток поршня механизма выдвижения гибкого рукава снабжен трубкой, верхний конец которой жестко закреплен в корпусе устройства, в нижней части полого штока выполнены радиальные отверстия, ниже которых на величину хода поршня механизма выдвижения гибкого рукава в корпусе устройства выполнены радиальные каналы, в верхней части корпуса устройства выполнен центральный канал, в который герметично введена втулка с наружным конусом в ее верхней части и поршнем, последний размещен в гидроцилиндре механизма осевого перемещения корпуса, на втулке ниже наружного конуса герметично установлен гидроцилиндр с поршнем, взаимодействующим с подпружиненными клиновыми плашками механизма стопорения устройства в скважине, при этом во втулке выполнен радиальный канал, соединяющий внутреннюю полость втулки с подпоршневой полостью гидроцилиндра механизма стопорения устройства в скважине, в корпусе устройства в районе размещения механизма вырезки окна в обсадной колонне установлен гидроцилиндр распорного механизма с поршнем и подпружиненным клином, взаимодействующим с радиально установленными подпружиненными упорами, центральный канал в верхней части корпуса выполнен с кольцевой канавкой, соединенной обводным каналом с внутренней полостью трубки полого штока, при этом высота гидроцилиндра механизма осевого перемещения корпуса для хода его поршня до упора, расстояние между осью концевой фрезы и осью гидромониторного сопла и расстояние от нижнего торца втулки до верхней кромки кольцевой канавки в корпусе выполнены одинаковой величины, гидравлическая система управления устройством снабжена тремя подпружиненными золотниками, при этом золотник управления механизмом выдвижения гибкого рукава дополнительно снабжен дросселем с обратным клапаном и гидравлически связан с полостями его гидроцилиндра и с линией подачи рабочей жидкости, золотник управления гидродвигателем механизма вырезки окна в обсадной колонне гидравлически подключен к гидроцилиндру распорного механизма, через клапаны-отсекатели - к гидродвигателю и через отсекатель - к линии подачи рабочей жидкости, золотник управления гидроцилиндром механизма осевого перемещения корпуса устройства гидравлически соединен с линией подачи рабочей жидкости через клапан со штырем, который механически связан с поршнем гидроцилиндра механизма выдвижения гибкого рукава, причем пружина золотника управления гидродвигателем механизма вырезки окна в обсадной колонне выполнена меньшей жесткости, чем пружина золотника управления гидроцилиндром механизма осевого перемещения корпуса устройства, которая в свою очередь выполнена меньшей жесткости, чем пружина золотника управления механизмом выдвижения гибкого рукава, а жесткость пружины отсекателя выполнена меньшей, чем жесткость пружины золотника управления гидроцилиндром механизма осевого перемещения корпуса устройства.

Из общедоступных источников патентной и научно-технической информации нам не известны устройства для перфорации обсаженной скважины, в которых вместе с приведенными выше известными признаками в совокупности были бы использованы указанные выше предлагаемые нами новые конструктивные признаки. Поэтому, по нашему мнению, заявляемое устройство соответствует критерию "Новизна".

Предложенная нами совокупность известных и вновь предлагаемых нами новых конструктивных признаков в заявляемом устройстве позволяют получить новые свойства, то есть достичь новый технический результат.

Так благодаря тому, что мы предложили в гидравлическую систему управления устройством ввести золотники для управления механизмом вырезки окна в обсадной колонне, управления гидроцилиндром механизма осевого перемещения корпуса, управления гидроцилиндром механизма выдвижения гибкого рукава, управления гидроцилиндром механизма стопорения устройства в скважине и управления гидроцилиндром распорного механизма в совокупности с предложенной нами их гидравлической взаимосвязью, тарировкой пружин золотников и предложенной градацией давления рабочей жидкости на первую, вторую или третью ступень с возможностью их переключения с одной на другую ступень в любом порядке непосредственно с устья скважины при эксплуатации устройства, совместно с введенными нами новыми механизмами и их взаимосвязями вместе с предложенными нами взаимными соотношениями размеров между осью гидромониторного сопла и осью концевой фрезы, расстояния от нижнего торца втулки до верхней кромки кольцевой канавки в корпусе, величины хода поршня до упора в гидроцилиндре механизма осевого перемещения корпуса, величины хода поршня механизма выдвижения гибкого рукава и расстояния между радиальными отверстиями полого штока и отверстием в корпусе при эксплуатации устройства позволяют обеспечить вновь: надежное стопорение устройства в скважине; фрезерование (вырезку) окна в стенке обсадной колонны при надежном центрировании и дополнительном распоре корпуса устройства в скважине непосредственно в зоне вырезки окна в стенке обсадной колонны; реверс механизмов и автоматическое возвращение концевой фрезы и центрирующих распорных элементов в исходное положение; обеспечить подачу на поверхность сигнала об окончании вырезки окна в стенке обсадной колонны через рабочую жидкость; подать сигнал о завершении возврата в исходное положение концевой фрезы; обеспечить выведение гибкого рукава с гидромониторным соплом строго в вырезанное в стенке обсадной колонны окно для образования в горной породе продуктивного пласта глубокого перфорационного канала; подать сигнал о выходе гибкого рукава на полную длину в перфорационный канал горной породы; отключить подачу рабочей жидкости в гибкий рукав по завершению его полного выхода.

Выполнение в заявленном устройстве расстояния между осью концевой фрезы и осью гидромониторного сопла и расстояния от нижнего торца втулки до верхней кромки кольцевой канавки равными ходу поршня до упора в гидроцилиндре механизма осевого перемещения корпуса позволяет обеспечить выведение гибкого рукава строго в вырезанное окно в стенке обсадной колонны, открыть подачу рабочей жидкости в гибкий рукав при ходе корпуса устройства вниз до упора и закрыть ее при ходе корпуса вверх, что обеспечивает удобство и эксплуатационную надежность устройства.

Благодаря взаимообусловленной величине хода поршня в гидроцилиндре механизма выдвижения гибкого рукава и расстояния между отверстиями в корпусе и радиальными отверстиями полого штока поршня этого гидроцилиндра обеспечивается посылка сигнала на поверхность в виде резкого падения давления рабочей жидкости в линии ее подачи, свидетельствующего о выходе гибкого рукава на полную длину, что также создает удобство и надежность в эксплуатации устройства.

Создание величины давления рабочей жидкости трех ступеней в совокупности с введением в гидравлическую систему управления устройством золотников с предусмотренной тарировкой их пружин и взаимосвязей такой системы обеспечивает подачу рабочей жидкости строго на одну требуемую операцию, отключая ее от остальных каналов, что снижает энергетические и эксплуатационные затраты. При этом рабочая жидкость является каналом передачи на поверхность сигналов о всех основных операциях, имеющих место при эксплуатации устройства, что также обеспечивает снижение энергетических и эксплуатационных затрат.

Использование в заявленном устройстве механической фрезы или сверла для образования окон в стальной обсадной колонне также требует сравнительно меньше энергии, чем иные способы.

Использование в качестве рабочей жидкости простой воды (без абразива) с добавками полимеров позволяет исключить износ деталей устройства абразивными частицами, что существенно продляет срок службы устройства.

Введение в устройство дополнительно распорного центрирующего механизма в зону действия концевой фрезы позволяет полностью исключить любой перекос устройства в скважине, равномерно осуществить упор корпуса по всей окружности, что при сверлении обсадной трубы фрезой (сверлом) обеспечивает полное сохранение целостности заколонного цементного камня.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого устройства в совокупности с известными признаками обеспечивают ему получение новых свойств, отраженных в цели изобретения, исходя из чего можно сделать вывод о том, что заявляемое устройство отвечает критерию "Изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 дан продольный разрез заявляемого устройства с приводом механизма вырезки окна в обсадной колонне, выполненного в виде шестеренного гидродвигателя, на фиг. 2 дан продольный разрез второго варианта выполнения привода механизма вырезки окна в обсадной колонне, выполненного в виде отдельного гидродвигателя и реверсивного механизма и представленного в исходном положении после вырезки окна в обсадной колонне.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1, в котором размещены: механизм вырезки окна в обсадной колонне, гибкий рукав 2 с гидромониторным соплом 3, отклонитель 4 гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава с размещенными в гидроцилиндре 5 полым штоком 6 и поршнем 7, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления устройством.

Механизм вырезки окна в обсадной колонне выполнен в виде концевой фрезы (или сверла) 8, жестко посаженной хвостовиком в пиноль 9, которая шлицами 10 сопряжена со шпинделем 11, снабженным парой шестерен 12 и 13 (см. фиг. 1). Эта пара шестерен, установленная в корпусе механизма, представляет собой приводящий во вращение концевую фрезу 8 шестеренный гидродвигатель, в котором на одном валу с шестерней 13 установлена шестерня 14, находящаяся в зацеплении с шестерней 15, расположенной на винте 16 осевой подачи концевой фрезы 8.

Привод механизма вырезки окна в обсадной колонне может быть выполнен (см. фиг. 2) в виде отдельного гидродвигателя 17, например, винтового, соединенного со шпинделем 11 через реверсивное устройство, состоящее из муфты переключения 18 и двух пар шестерен 19 и 20 и 21, 22. Шестерни 19 и 20 находятся в прямом зацеплении, а шестерни 21 и 22 находятся в зацеплении через паразитную шестерню 23. Муфта переключения 18 снабжена гидроцилиндром 24, обеспечивающим перемещение муфты вдоль вала 25 гидродвигателя 17 и сцепление с ним, либо шестерни 19, либо шестерни 21. Шестерня 19 посажена на вал 26 совместно с шестернями 27, 28 и 29, при этом шестерня 29 находится в зацеплении с шестерней 30, посаженной на шпиндель 11, а шестерня 28 находится в зацеплении с шестерней 31, посаженной на винт 16 продольной подачи концевой фрезы 8. При этом шестерни 28, 29, 30 и 31 выполнены коническими. Шестерни 20 и 22 посажены на полый вал 32, внутри которого на шлицах расположен ползун 33, перемещающийся в продольном направлении с помощью винта 34, приводимого в движение парой шестерен 27 и 35. С ползуном 33 связан шток 36, на котором расположены клапаны-отсекатели 37 и 38, которые предназначены для перекрытия потока рабочей жидкости в гидродвигатель 17 в крайних положениях ползуна 33, кинематически связанного и синхронно перемещающегося с пинолью 9 и концевой фрезой 8.

Механизм выдвижения гибкого рукава 2 с гидромониторным соплом 3 за пределы скважины через вырезанное в стенке обсадной колонны окно выполнен в виде гидроцилиндра 5 с поршнем 7 и полым штоком 6, на нижнем конце которого закреплен верхний конец гибкого рукава 2 с гидромониторным соплом 3 на выходном конце. В полый шток 6 герметично введена трубка 39 подвода рабочей жидкости к гидромониторному соплу 3, верхний конец трубки 39 жестко закреплен в корпусе 1 устройства. В нижней части полого штока 6 выполнены радиальные отверстия 40, совмещающиеся в нижнем положении поршня 7 и полого штока с радиальными каналами корпуса 1.

В верхней части корпуса 1 устройства выполнен центральный канал, в который герметично введена втулка 42 с наружным конусом 43 в ее верхней части и поршнем 44. Последний размещен в гидроцилиндре 45 механизма осевого перемещения корпуса 1 устройства. На втулке 42 ниже наружного конуса 43 герметично установлен гидроцилиндр 46 с поршнем 47, взаимодействующим с охваченными обоймой 48 подпруженными клиновыми плашками 49 механизма стопорения устройства в скважине. Во втулке 42 выполнен радиальный канал 50, соединяющий внутреннюю полость втулки 42 с подпоршневой полостью гидроцилиндра 46 механизма стопорения устройства в скважине.

Центральный канал в верхней части корпуса 1 выполнен с кольцевой канавкой 51, соединенный обводным каналом 52 с внутренней полостью трубки 39 полого штока 6. При этом высота "а" гидроцилиндра 45, в котором размещен поршень 44 втулки 42 механизма осевого перемещения корпуса 1, для обеспечения хода корпуса 1 вниз до упора, а также расстояние "б" между осью концевой фрезы 8 и осью гидромониторного сопла 3 при его исходном положении и расстояние "в" от нижнего торца втулки 42 до верхней кромки кольцевой канавки 51 в корпусе 1 выполнены одинаковой величины.

В районе размещения механизма вырезки окна в обсадной колонне в корпусе 1 устройства установлен гидроцилиндр 53 распорного механизма с поршнем 54 и подпружиненным клином 55, взаимодействующим с радиально установленными подпружиненными упорами 56.

Верхний конец втулки 42 через муфту 57 соединен с колонной труб 58. На линии подачи 59 рабочей жидкости в устройство из колонны труб 58 в верхней части внутреннего канала втулки 42 установлен фильтр 60.

Гидравлическая система 61 управления устройством снабжена тремя подпружиненными золотниками. Причем золотник 62 управления механизмом выдвижения гибкого рукава 2 дополнительно снабжен дросселем 63 и обратным клапаном 64 и гидравлически связан с полостями его гидроцилиндра 5 и с линией подачи 59 рабочей жидкости. Золотник 65 управления гидродвигателем 17 механизма вырезки окна в обсадной колонне гидравлически подключен к гидроцилиндру 53 распорного механизма, а через клапаны-отсекатели 37 и 38 - к гидродвигателю 17 и через отсекатель 66 - к линии подачи 59 рабочей жидкости. Золотник 67 управления гидроцилиндром 45 механизма осевого перемещения корпуса 1 устройства гидравлически соединен с линией подачи 59 рабочей жидкости через клапан 68 со штырем 69, который механически связан с поршнем 7 гидроцилиндра 5 механизма выдвижения гибкого рукава. При этом пружина 70 золотника 65 управления гидродвигателем 17 механизма вырезки окна в обсадной колонне выполнена меньшей жесткости, чем пружина 71 золотника 67 управления гидроцилиндром 45 механизма осевого перемещения корпуса 1 устройства, которая в свою очередь выполнена меньшей жесткости, чем пружина 72 золотника 62 управления механизмом выдвижения гибкого рукава, а жесткость пружины отсекателя 66 выполнена меньшей, чем жесткость пружины 71 золотника 67 управления гидроцилиндром 45 механизма осевого перемещения корпуса 1 устройства.

Золотник 65 с пружиной 70 осуществляют включение и реверс концевой фрезы 8. Золотник 62 с пружиной 72 производят включение и реверс гидроцилиндра 5. Золотник 67 с пружиной 71 служат для включения гидроцилиндра 45. Клапан 68 предназначен для отключения золотника 67 в конце хода поршня 7 вверх при нажатии его на штырь 69. Отсекатель 66 предназначен для для разгрузки золотника 65 при повышении давления в линии подачи 59 рабочей жидкости и предохранения от перегрузки гидродвигателя механизма вырезки окна в обсадной колонне.

Устройство для перфорации обсаженной скважины работает следующим образом. На колонне труб 58 с муфтой 57 устройство опускают в скважину на глубину намеченного интервала перфорации. В колонну труб 58 подают рабочую жидкость, которая по линии подачи 59 поступает в устройство и в его гидравлическую систему 61. Рабочая жидкость представляет собой обычную воду, в которую может быть добавлен полимер для придания жидкости лучших эмульсионных свойств. Затем поднимают давление рабочей жидкости на первую ступень. Рабочая жидкость через радиальный канал 50 поступает в гидроцилиндр 46 под поршень 47 и поднимает его вверх вместе с обоймой 48 и подпружиненными клиновыми плашками 49, которые, скользя по наружному конусу 43, расходятся в радиальном направлении до упора о стенки обсадной колонны, чем обеспечивается стопорение устройства в скважине. После этого механизм стопорения устройства нагружают весом колонны труб 58, в результате чего наружный конус 43 увеличивает нажатие на подпружиненные клиновые плашки 49 и окончательно стопорит устройство в скважине.

После стопорения устройства в скважине поднимают давление рабочей жидкости в колонне труб 58 на следующую вторую ступень. Рабочая жидкость при давлении второй ступени свободно проходит через отсекатель 66 и далее давит на верхний торец золотника 65, сжимая пружину 70 и переключает поток рабочей жидкости на рабочее направление вращения шестеренного гидродвигателя механизма вырезки окна в обсадной колонне. Пара шестерен 12 и 13 вращают шпиндель 11 и посаженную в него на шлицах 10 пиноль 9 с концевой фрезой 8. Одновременно пара шестерен 14 и 15 в направлении вращения шпинделя 11 вращает винт 16, но с другой угловой скоростью, чем скорость вращения шпинделя 11 за счет разницы передаточных отношений пары шестерен 14 и 15 в сравнении с парой шестерен 12 и 13. В результате разницы угловых скоростей винта 16 и шпинделя 11 пиноль 9 получает продольное перемещение и обеспечивает осевую подачу концевой фрезы 8 при ее вращении, в результате чего происходит выфрезеровывание (высверливание, вырезка) окна в стенке обсадной колонны. Величина перемещения концевой фрезы 8 для обеспечения вырезки окна в стенке обсадной колонны рассчитывается по времени, по истечении которого производят снижение давления рабочей жидкости до величины давления первой ступени. Пружина 70 возвращает золотник 65 в исходное положение, поток рабочей жидкости направляется в шестеренный гидродвигатель в обратном направлении и происходит реверс шпинделя 11 и возврат концевой фрезы 8 в исходное положение.

В случае использования отдельного, например, винтового гидродвигателя 17, в котором реверс самого гидродвигателя 17 по конструктивным соображениям не желателен, реверс шпинделя 11 производят при помощи муфты переключения 18, приводимой в действие гидроцилиндром 24. При повышении давления до второй ступени происходит, как было описано выше, переключение золотника 65, поток рабочей жидкости направляется через открытый клапан-отсекатель 37 и обратный клапан в гидродвигатель 17, который начинает вращать вал 25. Одновременно рабочая жидкость поступает в гидроцилиндр 53, поднимает вверх поршень 54 вместе с подпружиненным клином 55. При этом подпружиненные упоры 56, расходясь в радиальном направлении, упираются в стенки обсадной колонны, чем центрируют и надежно распирают в скважине корпус 1 устройства в районе действия концевой фрезы 8. Кроме того, рабочая жидкость поступает в нижнюю полость гидроцилиндра 24 и перемещает его поршень вверх, который перемещает муфту переключения 18 до зацепления с валом 26. Посаженная на вал 26 коническая шестерня 29 передает вращение на коническую шестерню 30, посаженную на шпиндель 11, который получает рабочее вращение вместе с пинолью 9 и концевой фрезой 8. Пара конических шестерен 28 и 31 передает вращение на винт 16, при этом пиноль 9 с концевой фрезой 8 получают продольную осевую подачу. Синхронно с пинолью 9 начинает перемещаться ползун 33, приводимый в движение с помощью пары шестерен 27 и 35, винта 34 и пары шестерен 19 и 20. Вместе с ползуном 33 перемещается связанный с ним шток 36 с клапанами-отсекателями 37 и 38. В конце хода ползуна 33 клапан-отсекатель 37 перекрывает поток рабочей жидкости через седло этого клапана и гидродвигатель 17 останавливается. Происходит скачек давления, который сигнализирует об окончании фрезерования и необходимости возврата концевой фрезы 8 в исходное положение. Для этого производят снижение давления рабочей жидкости до величины первой ступени, золотник 65 пружиной 70 возвращается в исходное положение, поток рабочей жидкости направляется через открытый клапан-отсекатель 38 в гидродвигатель 17 и в верхнюю полость гидроцилиндра 24, который перемещает муфту переключения 18 до зацепления с шестерней 21, последняя передает вращение на шестерню 22 через паразитную шестерню 23 на полый вал 32. Происходит реверс шпинделя 11 и полого вала 32 вместе с механизмами подачи пиноли 9 и ползуна 33. Концевая фреза 8 возвращается в исходное положение, клапан-отсекатель 38 закрывает поток рабочей жидкости и гидродвигатель 17 останавливается. Одновременно в колонне труб 58 от перекрытия клапана-отсекателя 38 происходит скачок давления, сигнализируя о возврате концевой фрезы 8 в исходное положение.

Затем поднимают давление рабочей жидкости на третью ступень, отчего поршень отсекателя 66 поднимается вверх и перекрывает доступ рабочей жидкости к золотнику 65. Одновременно золотник 62, сжимая пружину 72, переходит в верхнее положение и подает рабочую жидкость в верхнюю полость гидроцилиндра 5, а из нижней полости рабочая жидкость выходит через дроссель 63 при закрытом обратном клапане 64. При этом поршень 7, перемещаясь вниз, освобождает штырь 69 клапана 68, золотник 67, сжимая пружину 71, переходит в верхнее положение и направляет рабочую жидкость в нижнюю полость гидроцилиндра 45 под поршень 44. Поскольку поршень 44 жестко связан со втулкой 42, а снаружи на верхнем конце втулки 42 размещен механизм стопорения устройства в скважине, который во время работы заявляемого устройства надежно удерживает (стопорит) его в скважине, то при поступлении рабочей жидкости под поршень 44 корпус 1 устройства будет перемещаться на величину "a" вниз до упора, т.е. до соприкосновения о верхнюю часть поршня 44 уступа, выполненного в полости гидроцилиндра 45. При этом гидромониторное сопло 3 окажется на оси отверстия в стенке обсадной колонны, профрезерованной концевой фрезой 8 во время предыдущей операции. При достижении корпусом 1 упора в конце его перемещения вниз в гидроцилиндре 45 одновременно открывается кольцевая канавка 51 и рабочая жидкость из колонны труб 58 через фильтр 60 втулки 42, кольцевую канавку 51, обводной канал 52, трубку 39 полого штока 6 и гибкий рукав 2 устремляется к гидромониторному соплу 3 и, проходя через него, размывает горную породу продуктивного пласта через профрезерованное в обсадной колонне отверстие. По мере образования перфорационного канала в породе продуктивного пласта при движении поршня 7 вниз гибкий рукав 2 по его отклонителю 4 через профрезерованное в обсадной колонне окно выдвигается за пределы скважины.

В конце хода поршня 7 вниз радиальные отверстия 40 полого штока 6 совмещаются с радиальными каналами 41 корпуса 1, давление рабочей жидкости падает, что является сигналом для возврата гибкого рукава 2 в исходное положение. После чего снижают давление рабочей жидкости до величины второй ступени, пружина 72 возвращает золотник 62 в исходное положение, который направляет рабочую жидкость в нижнюю полость гидроцилиндра 5, поршень 7 поднимается вверх и в конце хода нажимает штырь 69 клапана 68. Давление под золотником 67 снижается и он под действием пружины 71 возвращается в исходное положение, снимая давление под поршнем 44. Под действием, например, пружины (на чертеже условно не показана) корпус 1 устройства поднимается вверх в исходное положение. При этом кольцевая канавка 51 закрывается, чем прекращается подача рабочей жидкости в гибкий рукав 2, происходит скачок давления, указывающий на завершение цикла.

После получения сигнала о завершении цикла полностью снимают давление в колонне труб 58 и разгружают механизм стопорения устройства в скважине. При этом подпружиненные клиновые плашки 49 под действием своих пружин сводятся к центру и, скользя по наружному конусу 43 втулки 42, приводят поршень 47 гидроцилиндра 46 в его нижнее, то есть исходное положение.

После этого устройство на колонне труб 58 перемещают в интервал образования следующего перфорационного отверстия и цикл повторяется.

По окончании перфорации скважины внизу колонны труб 58 открывают циркуляционный клапан (на чертеже условно не показан) и на колонне труб 58 устройство поднимают на поверхность.

Изготовлен и испытан на заводском стенде макет заявляемого устройства. Испытания подтвердили работоспособность устройства и достижения указанных целей изобретения.

Формула изобретения

Устройство для перфорации обнаженной скважины, спускаемое на трубах, включающее корпус, в котором размещены механизм вырезки окна в обсадной колонне, гибкий рукав с гидромониторным соплом, отклонитель гибкого рукава, механизм выдвижения гибкого рукава с размещенными в гидроцилиндре полым штоком и поршнем, линия подачи рабочей жидкости и гидравлическая система управления устройством, отличающееся тем, что механизм вырезки окна в обсадной колонне выполнен в виде концевой фрезы или сверла, хвостовик которой жестко посажен в пиноль, связанную шлицами со шпинделем, на последнем соосно размещены две шестерни, при этом одна из шестерен жестко связана со шпинделем, а вторая шестерня жестко связана с винтом продольной подачи концевой фрезы, обе шестерни введены в зацепление с двумя шестернями, жестко посаженными на приводной вал, механически связанный с гидродвигателем, кроме того, механизм вырезки окна в обсадной колонне дополнительно снабжен ползуном, механически связанным с клапанами-отсекателями гидродвигателя и кинематически связанным с приводным валом, полый шток поршня механизма выдвижения гибкого рукава снабжен трубкой, верхний конец которой жестко закреплен в корпусе устройства, в нижней части полого штока выполнены радиальные отверстия, ниже которых на величину хода поршня механизма выдвижения гибкого рукава в корпусе устройства выполнены радиальные каналы, в верхней части корпуса устройства выполнен центральный канал, в который герметично введена втулка с наружным конусом в ее верхней части и поршнем, последний размещен в гидроцилиндре механизма осевого перемещения корпуса, на втулке ниже наружного конуса герметично установлен гидроцилиндр с поршнем, взаимодействующим с подпружиненными клиновыми плашками механизма стопорения устройства в скважине, при этом во втулке выполнен радиальный канал, соединяющий внутреннюю полость втулки с подпоршневой полостью гидроцилиндра механизма стопорения устройства в скважине, в корпусе устройства в районе размещения механизма вырезки окна в областной колонне установлен гидроцилиндр распорного механизма с поршнем и подпружиненным клином, взаимодействующим с радиально установленными подпружиненными упорами, центральный канал в верхней части корпуса выполнен с кольцевой канавкой, соединенной обводным каналом с внутренней полостью трубки полого штока, при этом высота гидроцилиндра механизма осевого перемещения корпуса для хода его поршня до упора, расстояние между осью концевой фрезы и осью гидромониторного сопла и расстояние от нижнего торца втулки до верхней кромки кольцевой канавки в корпусе выполнены одинаковой величины, гидравлическая система управления устройством снабжена тремя подпружиненными золотниками, при этом золотник управления механизмом выдвижения гибкого рукава дополнительно снабжен дросселем с обратным клапаном и гидравлически связан с полостями его гидроцилиндра и с линией подачи рабочей жидкости, золотник управления гидродвигателем механизма вырезки окна в обсадной колонне гидравлически подключен к гидроцилиндру распорного механизма, а через клапана-отсекатели - к гидродвигателю и через отсекатель - к линии подачи рабочей жидкости, золотник управления гидроцилиндром механизма осевого перемещения корпуса устройства гидравлически соединен с линией подачи рабочей жидкости через клапан со штырем, который механически связан с поршнем гидроцилиндра механизма выдвижения гибкого рукава, причем пружина золотника управления гидродвигателем механизма вырезки окна в обсадной колонне выполнена меньшей жесткости, чем пружина золотника управления гидроцилиндром механизма осевого перемещения корпуса устройства, которая в свою очередь выполнена меньшей жесткости, чем пружина золотника управления механизмом гибкого рукава, а жесткость пружины отсекателя выполнена меньшей, чем жесткость пружины золотника управления гидроцилиндром механизма перемещения корпуса устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2