способ гидропескоструйной перфорации скважин и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ гидропескоструйной перфорации скважин, включающий спуск в скважину на колонне труб гидроперфоратора, снабженного гидромониторными насадками, подвижной втулкой и клапаном в его корпусе, и проведение перфорации скважины путем подачи насосным агрегатом через колонну труб и гидромониторные насадки гидроперфоратора абразивной жидкости под давлением, отличающийся тем, что перед спуском в скважину в корпусе гидроперфоратора с его нижнего конца соосно закрепляют неподвижную втулку, на выходной конец которой устанавливают подвижную втулку-стакан с наклонно-направленными каналами в днище и с наружным опорным диском, внутрь втулок по их продольной оси вводят подпружиненной запорный стержень, верхний конец которого соединяют с клапаном и подвижной втулкой корпуса гидроперфоратора, а нижний конец стержня закрепляют в днище подвижной втулки-стакана, сразу после проведения гидропескоструйной перфорации скважины гидромониторные насадки в корпусе гидроперфоратора перекрывают, а клапан открывают путем опускания колонны труб вниз до упора наружного опорного диска подвижной втулки-стакана о песчаную пробку в стволе скважины и вслед за окончанием подачи абразивной жидкости без перерыва во времени и без остановки насосного агрегата ведут подачу промывочной жидкости в колонну труб под давлением при открытом клапане в корпусе гидроперфоратора, благодаря чему производят размыв песчаной пробки в стволе скважины выходящими из наклонно-направленных каналов днища подвижной втулки-стакана напорными струями промывочной жидкости и одновременно ведут вынос размытого песка из скважины на дневную поверхность через межтрубное пространство скважины потоком промывочной жидкости, подаваемой из колонны труб через наклонно-направленные каналы днища втулки-стакана.

2. Устройство для гидропескоструйной перфорации скважин, включающее закрепленный на конце колонны труб гидроперфоратор, в боковых стенках корпуса которого установлены гидромониторные насадки, а в его внутреннем сквозном канале размещена подвижная втулка и клапан, отличающееся тем, что в корпусе гидроперфоратора с его нижнего конца соосно закреплена неподвижная втулка, на выходном конце которой установлена подвижная втулка-стакан с наклонно-направленными каналами в днище и с наружным опорным диском, внутри неподвижной втулки и подвижной втулки-стакана по их продольной оси размещен запорный стержень, верхний конец которого соединен с клапаном и подвижной втулкой, а нижний конец стержня закреплен в днище подвижной втулки-стакана, в нижней части подвижной втулки над клапаном в ее боковых стенках выполнены сквозные радиальные каналы, внутри корпуса гидроперфоратора над клапаном выполнена перекрываемая подвижной втулкой кольцевая проточка, гнездо под клапан выполнено в верхнем торце неподвижной втулки, запорный стержень охвачен пружиной в состоянии сжатия, верхний торец которой оперт во внутренний уступ неподвижной втулки, а нижний торец пружины оперт в днище подвижной втулки-стакана, при этом подвижная и неподвижная втулки, подвижная втулка-стакан и кольцевая проточка над клапаном в корпусе гидроперфоратора выполнены по высоте с таким расчетом, что при открытом клапане подвижная втулка обеспечивает во внутреннем сквозном канале корпуса гидроперфоратора перекрытие гидромониторных насадок в его боковых стенках и сообщение внутреннего пространства колонны труб с внутренним пространством скважины.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтяной и газовой промышленности, а также к области эксплуатации подземных вод водозаборными скважинами, и предназначается для гидропескоструйной перфорации обсадных колонн скважин, заколонного цементного камня и горной породы продуктивных пластов при добыче нефти, газа и воды, включая добычу пресных, питьевых и минеральных вод.

В качестве аналога принимаем известное по авторскому свидетельству СССР 162079 МПК Е 21 В 43/114 (заявлено 25.03.1963 г., опубликовано 16.04.1964 г. , БИ 9) изобретение под названием "Устройство для гидропескоструйной перфорации скважина. Способ реализации известного изобретения включает в себя спуск в скважину на колонне труб соединенных между собой пескоструйных перфораторов, имеющих гидромониторные насадки, подвижные втулки (цилиндрические затворы) и клапаны, и проведение перфорации скважины путем подачи под давлением через колонну труб и насадки песчано-жидкостной смеси. При этом количество перфораторов устанавливают по числу подлежащих перфорации участков, при спуске в скважину гидромониторные насадки в каждом перфораторе перекрывают подвижной втулкой, перфорацию намеченных участков производят последовательно снизу вверх.

Устройство, реализующее указанный выше способ, включает в себя соединенные на колонне труб пескоструйные перфораторы. В корпусе каждого перфоратора установлены гидромониторные насадки, а во внутреннем сквозном канале размещена подвижная втулка с седлом под шаровой клапан. При спуске в скважину подвижная втулка каждого перфоратора установлена напротив гидромониторных насадок, перекрывает их и в таком положении закреплена с помощью алюминиевых шпилек. Диаметр седел и шаровых клапанов в известном устройстве выполнены последовательно увеличивающимися снизу вверх.

При реализации способа и устройства по аналогу первым перфорируют нижний участок. Для этого в колонну труб забрасывают шаровой клапан, который при посадке в седло подвижной втулки нижнего перфоратора перекрывает в ней проходное отверстие. Под воздействием подаваемого в колонну труб потока песчано-жидкостной смеси подвижная втулка срезает алюминиевые шпильки и смещается вниз до упора в заплечик, открывая гидромониторные насадки, через которые производят перфорацию скважины в интервале нижнего участка. По окончании перфорации нижнего участка в колонну труб сбрасывают шаровой клапан для второго перфоратора, размещенного над первым. Шар проходит верхние перфораторы и садится в седло подвижной втулки второго снизу перфоратора. Под давлением подаваемой через колонну труб песчано-жидкостной смеси подвижная втулка второго перфоратора срезает алюминиевые шпильки и, смещаясь вниз до упора в заплечик, открывает гидромониторные насадки, в результате чего производят гидропескоструйную перфорацию скважины в интервале второго снизу участка. При этом доступ песчано-жидкостной смеси в нижерасположенный (первый снизу) перфоратор перекрыт. Далее вводят шаровой клапан третьего снизу перфоратора и проводят аналогичные операции, и так - до окончания перфорации всех участков.

В качестве прототипа заявляемому техническому решению принимаем известное изобретение по авторскому свидетельству 564409 М. Кл.² Е 21 В 43/114 (заявлено 02.07.1975 г. , опубликовано 05.07.1977 г., БИ 25) под названием "Гидроабразивный перфоратор".

При использовании известного изобретения осуществляют следующие операции: производят спуск в скважину на колонне труб гидроперфоратора, снабженного гидромониторными насадками, подвижной втулкой и клапаном в его корпусе, и проводят перфорацию скважины путем подачи насосным агрегатом через колонну труб и гидромониторные насадки гидроперфоратора абразивной жидкости под давлением.

Устройство, реализующее способ по прототипу, содержит закрепленный на конце колонны труб гидроперфоратор, в боковых стенках корпуса которого установлены гидромониторные насадки, а в его внутреннем сквозном канале размешена подвижная втулка и клапан. При этом внутренняя поверхность корпуса и наружная поверхность подвижной втулки (затвора) образуют между собой изолированную камеру. Верхняя часть подвижной втулки выполнена в виде конусного клапана, седло под которое выполнено во внутренней поверхности корпуса над насадками. Центральный канал подвижной втулки в верхней части выполнен в виде конусного седла под сбрасываемый с поверхности шаровой клапан. Корпус гидроперфоратора в нижней части имеет ограничитель хода подвижной втулки.

При реализации способа и устройства по прототипу во время спуска перфоратора в заданный интервал скважины производят заполнение колонны труб промывочной жидкостью из скважины через открытые сопла насадок и открытый центральный канал подвижной втулки (затвора) перфоратора. Гидромониторные насадки гидроперфоратора во время его спуска в скважину самопроизвольно перекрываются подвижной втулкой, которая перемешается в верхнее положение, как только усилие от действия гидростатического давления на нижнюю площадь подвижной втулки превысит силы сопротивления сжимаемого воздуха в изолированной камере вместе с силами трения. Затем с поверхности в колонну труб забрасывают клапанный шар, который, достигая конусного седла в верхней части подвижной втулки, перекрывает ее центральный канал. При закачке в колонну труб абразивной жидкости под давлением подвижная втулка перемещается в нижнее положение, открывая гидромониторные насадки в корпусе гидроперфоратора, в результате чего производят гидропескоструйную перфорацию заданного интервала скважины.

Недостатком известных как по аналогу, так и по прототипу способов и устройств является то, что при осуществлении гидропескоструйной перфорации скважины на забой ее ствола осыпается значительная часть песка и измельченной от перфорации породы и цемента. В результате по окончании перфорации скважины происходит перекрытие нижней части ствола скважины настолько, что не позволяет достигать извлечения из продуктивного пласта пластового флюида в добывающих скважинах или делает невозможным закачку в пласт рабочего агента в нагнетательных скважинах.

Для промывки забоя скважины от песчаных пробок, осадков грязи, окалины и т.п. возникает необходимость использовать дополнительное специальное оборудование, которое необходимо спускать в скважину после того, как будет поднята из скважины на поверхность колона труб с гидроперфоратором. Это увеличивает время, материальные и трудовые затраты на освоение скважины после ее гидропескоструйной перфорации.

Так для промывки забоя скважины от песчаных пробок и осадков грязи может быть использовано, например, устройство для промывки песчаных пробок по авторскому свидетельству СССР 1081334, М. Кл.³ Е 21 В 21/00 от 1983 г., содержащее соединенный через муфту с колонной насосно-компрессорных труб корпус с концентрично размещенным в нем патрубком, образующим с ним кольцевую полость. Устройство снабжено двумя эластичными манжетами, установленными в верхней и нижней части корпуса, а соединительная муфта имеет радиальные каналы для сообщения кольцевой полости, образованной корпусом и патрубком, с затрубным пространством. К муфте присоединяют насосно-компрессорные (НКТ) трубы, и устройство спускают в эксплуатационную колонну до песчаной пробки. При этом упругие манжеты плотно прилегают к эксплуатационной колонне и отсекают открытую часть перфорационных отверстий фильтра. По мере очистки забоя от пробки устройство с манжетами перемещается вниз и обеспечивает изоляцию открытой части фильтра. Промывочную жидкость через НКТ подают на наконечник устройства и струя, размывая песчаную пробку, выносит ее на поверхность через отверстия в центраторе наконечника, через кольцевую полость устройства, через отверстия в муфте и через затрубное пространство скважины. Если промывочную жидкость подают через затрубное пространство, то пульпа выносится на поверхность через НКТ.

Целью изобретения является сокращение времени и одновременное снижение материальных и трудовых затрат при освоении скважины после гидропескоструйной перфорации за счет исключения необходимости привлечения дополнительного специального оборудования, которое, как в известных способах, требовалось бы спускать в скважину и проводить им работы по ликвидации в ее стволе песчаных пробок, образующихся при проведении гидропескоструйной перфорации.

Указанная цель изобретения достигается тем, что в известный способ гидропескоструйной перфорации скважин, включающий спуск в скважину на колонне труб гидроперфоратора, снабженного гидромониторными насадками, подвижной втулкой и клапаном в его корпусе, и проведение перфорации скважины путем подачи насосным агрегатом через колонну труб и гидромониторные насадки гидроперфоратора абразивной жидкости под давлением, согласно заявляемому изобретению нами предложено ввести новую совокупность существенных признаков (введены новые приспособления и операции, даны новые условия проведения операций способа и предложен новый порядок их проведения во времени), а именно: перед спуском в скважину в корпусе гидроперфоратора с его нижнего конца соосно закрепляют неподвижную втулку, на выходной конец которой устанавливают подвижную втулку-стакан с наклонно-направленными каналами в днище и с наружным опорным диском, внутрь втулок по их продольной оси вводят подпружиненный запорный стержень, верхний конец которого соединяют с клапаном и подвижной втулкой корпуса гидроперфоратора, а нижний конец стержня закрепляют в днище подвижной втулки-стакана, сразу после проведения гидропескоструйной перфорации скважины гидромониторные насадки в корпусе гидроперфоратора перекрывают, а клапан открывают путем опускания колонны труб вниз до упора наружного опорного диска подвижной втулки-стакана о песчаную пробку в стволе скважины и вслед за окончанием подачи абразивной жидкости без перерыва во времени и без остановки насосного агрегата ведут подачу промывочной жидкости в колонну труб под давлением при открытом клапане в корпусе гидроперфоратора, благодаря чему производят размыв песчаной пробки в стволе скважины выходящими из наклонно-направленных каналов днища подвижной втулки-стакана напорными струями промывочной жидкости и одновременно ведут вынос размытого песка из скважины на дневную поверхность через межтрубное пространство скважины потоком промывочной жидкости, подаваемой из колонны труб через наклонно-направленные каналы днища втулки-стакана.

Указанные выше новые существенные признаки заявляемого способа гидропескоструйной перфорации скважин являются отличительными признаками от известного по прототипу способа.

Указанная цель изобретения достигается также и тем, что в известное устройство для гидропескоструйной перфорации скважин, включающее закрепленный на конце колонны труб гидроперфоратор, в боковых стенках корпуса которого установлены гидромониторные насадки, а в его внутреннем сквозном канале размещена подвижная втулка и клапан, согласно заявляемому изобретению нами введены новые существенные конструктивные признаки, а именно: в корпусе гидроперфоратора с его нижнего конца соосно закреплена неподвижная втулка, на выходном конце которой установлена подвижная втулка-стакан с наклонно-направленными каналами в днище и с наружным опорным диском, внутри неподвижной втулки и подвижной втулки-стакана по их продольной оси размещен запорный стержень, верхний конец которого соединен с клапаном и подвижной втулкой, а нижний конец стержня закреплен в днище подвижной втулки-стакана, в нижней части подвижной втулки над клапаном в ее боковых стенках выполнены сквозные радиальные каналы, внутри корпуса гидроперфоратора над клапаном выполнена перекрываемая подвижной втулкой кольцевая проточка, гнездо под клапан выполнено в верхнем торце неподвижной втулки, запорный стержень охвачен пружиной в состоянии сжатия, верхний торец которой оперт во внутренний уступ неподвижной втулки, а нижний торец пружины оперт в днище подвижной втулки-стакана, при этом подвижная и неподвижная втулки, подвижная втулка-стакан и кольцевая проточка над клапаном в корпусе гидроперфоратора выполнены по высоте с таким расчетом, что при открытом клапане подвижная втулка обеспечивает во внутреннем сквозном канале корпуса гидроперфоратора перекрытие гидромониторных насадок в его боковых стенках и сообщение внутреннего пространства колонны труб с внутренним пространством скважины.

Указанные выше новые существенные конструктивные признаки заявляемого устройства для осуществления предложенного способа гидропескоструйной перфорации скважин являются отличительными признаками от известного по прототипу устройства.

В настоящее время из общедоступных источников научно - технической и патентной информации нам не известны способы гидропескоструйной перфорации скважин и устройства для их осуществления, которые вместе с известными существенными признаками содержали бы в себе предложенную нами новую совокупность существенных признаков в заявляемом способе и новые существенные конструктивные признаки в заявляемом устройстве для реализации указанного способа, которые указаны выше.

В совокупности известные и новые отличительные существенные признаки способа и устройства для его осуществления обеспечивают заявляемому изобретению достижение нового технического результата при его реализации.

Так благодаря тому, что в заявляемом способе предложено использовать гидроперфоратор, корпус которого с нижнего конца дополнительно предложено оборудовать неподвижной втулкой и установленной на ней подвижной втулкой-стаканом с наклонно-направленными каналами в днище и с наружным опорным диском, вместе с тем, что внутрь втулок введен подпружиненный запорный стержень, соединяющий клапан и подвижную втулку корпуса гидроперфоратора с днищем подвижной втулки-стакана, то это позволяет после проведения гидропескоструйной перфорации при спуске колонны труб с устройством при касании наружного опорного диска о песчаную пробку перекрыть гидромониторные насадки и открыть клапан в корпусе гидроперфоратора. Благодаря указанным выше конструктивным дополнениям гидроперфоратора, используемым при реализации способа, перекрытие насадок и открытие клапана осуществляется одновременно.

Благодаря тому, что в заявляемом способе предложено вслед за окончанием подачи абразивной жидкости без перерыва во времени и без остановки насосного агрегата вести подачу промывочной жидкости в колонну труб под давлением при открытом клапане в корпусе гидроперфоратора (при опускании колонны труб вниз до упора наружного опорного диска о песчаную пробку), то вслед за окончанием перфорации скважины сразу осуществляется размыв песчаной пробки в стволе скважины выходящими из наклонно-направленных каналов днища подвижной втулки-стакана напорными струями промывочной жидкости и при этом одновременно осуществляется вынос размытого песка из скважины на дневную поверхность через межтрубное пространство скважины.

Поскольку все операции: гидропескоструйная перфорация скважины, размыв песчаной пробки в стволе скважины и вынос размытого песка на поверхность, в заявляемом способе осуществляются одним и тем же оборудованием - дооборудованным согласно заявляемому изобретению гидроперфоратором и предложено выполнять эти операции безразрывно во времени и без подъема колонны труб из скважины и без спуска дополнительного оборудования, то это сокращает время и одновременно существенно снижает материальные и трудовые затраты на освоение скважины после гидропескоструйной перфорации, т.к. отпадает необходимость привлекать дополнительно специальное оборудование и вести на нем работы по очистке ствола от песчаных пробок, а именно: не надо завозить на скважину забойный двигатель и долото, не надо производить их сборку и спуск в скважину на колонне труб, не надо производить разбуривание песчаной пробки.

На чертеже представлено устройство для реализации способа гидропескоструйной перфорации скважин (продольный разрез).

Устройство содержит гидроперфоратор, в боковых стенках корпуса 1 которого установлены гидромониторные насадки 2. Во внутреннем сквозном канале 3 корпуса 1 гидроперфоратора размещена подвижная втулка 4 и клапан 5. В корпусе 1 гидроперфоратора с его нижнего конца соосно закреплена неподвижная втулка 6, на выходном конце 7 которой установлена подвижная втулка-стакан 8 с наклонно-направленными каналами 9 в днище 10. С наружной нижней стороны днища 10 на втулке-стакане 8 закреплен наружный опорный диск 11. Внутри каналов 12 и 13 неподвижной втулки 6 и внутри канала 14 подвижной втулки-стакана 8 по их продольной оси размещен запорный стержень 15, верхний конец которого соединен с клапаном 5 и подвижной втулкой 4. Как вариант - клапан 5 и подвижная втулка 4 могут быть выполнены единым изделием, как показано на чертеже. Нижний конец стержня 15 закреплен в днище 10. В нижней части боковых стенок подвижной втулки 4 (над клапаном 5) выполнены сквозные радиальные каналы 16. Внутри корпуса 1 над клапаном 5 выполнена кольцевая проточка 17, которая перекрывается подвижной втулкой 4. Гнездо (на чертеже без номера) под клапан 5 выполнено в верхнем торце 18 неподвижной втулки 6. Запорный стержень 15 охвачен пружиной 19, верхний торец которой оперт во внутренний уступ 20 неподвижной втулки 6, а нижний торец пружины 19 оперт во внутреннюю плоскость 21 днища 10 подвижной втулки-стакана 8. Пружина 19 устанавливается в состоянии сжатия, отчего клапан 5 после сборки находится в закрытом состоянии, а гидромониторные насадки открыты.

Осуществляют заявляемый способ следующим образом. В собранном виде заявляемое устройство верхним концом корпуса 1 гидроперфоратора на дневной поверхности крепят к нижнему концу колонны труб 22 и на колонне труб 22 спускают в скважину. При спуске в скважину, как и после сборки на поверхности, клапан 5 гидроперфоратора закрыт, а гидромониторные насадки 2 открыты. После установки устройства в заданном интервале ствола скважины в колонну труб 22 подают насосным агрегатом под давлением абразивную жидкость, которая, выходя из сопловых отверстий гидромониторных насадок 2, перфорирует металлическую обсадную колонну скважины, заколонный цементный камень и далее - горную породу продуктивного пласта. Сразу после проведения гидропескоструйной перфорации скважины производят опускание колонны труб 22 с предлагаемым устройством вниз до упора наружного опорного диска 11 о песчаную пробку в стволе скважины, по достижении которой вслед за окончанием подачи расчетного объема абразивной жидкости без перерыва во времени и без остановки насосного агрегата ведут подачу промывочной жидкости в колонну труб 22 под давлением. Так как при посадке на песчаную пробку от веса колонны труб пружина 19 сжимается, то подвижная втулка-стакан 8 вместе с запорным стержнем 15, клапаном 5 и подвижной втулкой 4 перемещаются вверх, открывая проход через гнездо клапана 5 и перекрывая гидромониторные насадки 2 во внутреннем сквозном канале 3 корпуса 1 гидроперфоратора благодаря тому, что подвижная втулка 4, неподвижная втулка 6, подвижная втулка-стакан 8, кольцевая проточка 17 по высоте выполнены с расчетом обеспечения такого условия. Подаваемая под давлением промывочная жидкость из колонны труб 22 проходит через внутренний сквозной канал 3 корпуса 1 гидроперфоратора, через сквозные радиальные каналы 16 подвижной втулки 4, через кольцевую проточку 17, через открытое гнездо клапана 5, через внутренние каналы 12 и 13 неподвижной втулки 6, через канал 14 подвижной втулки-стакана 8 и поступает в наклонно-направленные каналы 9, по выходу из которых напорными струями производит размыв песчаной пробки в стволе скважины и одновременно обеспечивает вынос размытого песка через межтрубное пространство скважины на поверхность.

Как только песчаная пробка в стволе скважины будет размыта и песок вынесен на поверхность, что легко контролируется глубиной спуска колонны труб 22 в скважину, колонну труб 22 с закрепленным на ее нижнем конце предлагаемым устройством поднимают на поверхность. При этом в результате совершается только одна операция по спуску в скважину предлагаемого устройства, содержащего и гидроперфоратор, и приспособление для размыва песчаной пробки, а по завершении операции по гидропескоструйной перфорации скважины и безразрывной по времени операции размыва песчаной пробки и выноса песка на поверхность производится одна операция подъема из скважины на поверхность колонны труб с предлагаемым устройством.