скважинный пробойник для труб

Формула изобретения

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 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 поршень, 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 с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости - энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и пространством скважины через дроссели, выполненные в переводнике, штоковая камера через отверстия в цилиндре сообщена с пространством скважины, шток и поршень соединены между собой жестко и подпружинены для обеспечения штоку положения, выдвинутого из корпуса, а шток снабжен инерционным грузом для взаимодействия с жидкостью, содержащейся в корпусе, причем в переводнике установлен сообщающий рабочую камеру с пространством скважины золотник, запорный элемент которого в закрытом положении зафиксирован посредством штифта, разрушаемого под действием давления силовой жидкости.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к подземному ремонту скважин нефтяных, газовых и других и может быть использовано для сообщения полости насосно-компрессорных и обсадных труб с затрубным пространством для создания циркуляции, закачки различных реагентов и растворов, выравнивания давления и для других целей.

Известна конструкция пробойника-трубореза, спускаемого на рабочей колонне, преимущественно на колонне насосных штанг, содержащая заполненный жидкостью полый корпус с радиальным каналом, сообщенным с полостью корпуса, в котором размещен поршень с рабочим наконечником, а также шток, установленный в полости корпуса с возможностью осевого перемещения и связанный с рабочей колонной (1).

Недостатки этого устройства следующие:

- для его использования в пробиваемой колонне должен быть упор, что ограничивает его использование обычно теми случаями, когда в качестве указанного упора могут послужить глубинный насос, торец аварийной штанги и другие части внутрискважинного оборудования;

- осевая нагрузка, которую необходимо прикладывать от торца рабочей колонны к штоку устройства, иногда превышает возможности рабочей колонны, например, при пробивке на очень малой глубине. Такое же ограничение в применении известного устройства имеет место, если необходимо пробивать обсадную колонну диаметром 121-168 и более со значительной толщиной стенки (до 12-14 мм), и когда в качестве рабочей колонны используется сворачиваемая в рулон гибкая труба НКТ малого размера (например, около 25,4 - 33 мм), т.е. при работах по колтюбинговой технологии. При этом, как и при пробивке на малой глубине, шток известного устройства невозможно нагрузить достаточной осевой силой. В первом случае - из-за малости веса, в последнем - из-за недопустимого спирального изгиба труб.

Из общедоступных источников на момент подачи настоящей заявки на изобретение укажем на наше устройство по патенту РФ 2057894 (2), которое мы предлагаем рассматривать как прототип. На наш взгляд, именно указанный пробойник является наиболее близким к предлагаемому по принципу действия и достигаемому результату. Этот пробойник спускается в скважину на рабочей колонне и содержит 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 с переводником, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра с возможностью осевого перемещения, поршень, установленный в цилиндре, связанный со штоком и образующий с цилиндром штоковую и рабочую камеры, которая через отверстия в переводнике сообщается с пространством скважины через обратный клапан, выполненный в виде разрушаемой при взаимодействии с рабочей колонной заглушки.

Заметим, что последнее устройство - прототип, свободно от второго недостатка вышеназванного аналога, т.к. в прототипе осевая нагрузка от рабочей колонны требуется только для проталкивания его через наклонные (горизонтальные) участки и для взаимодействия с разрушаемой заглушкой, а для пробивки трубы используется потенциальная энергия столба жидкости, в связи с этим при применении прототипа к торцу рабочей колонны прикладывается значительно меньшая осевая нагрузка. Однако и в прототипе остается не преодоленным первый недостаток аналога, а именно потребность в упоре на глубине пробивки.

Цель изобретения - осуществление возможности пробивки в скважине отверстия на любой глубине без использования упора и независимо от веса рабочей колонны, а также повышение надежности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве рабочей использована колонна с гидравлическим каналом для подачи силовой жидкости - энергоносителя от насоса, полость которой гидравлически связана с рабочей камерой и пространством скважины через дроссели, выполненные в переводнике, штоковая камера через отверстия в цилиндре сообщена с пространством скважины, шток и поршень соединены между собой жестко и подпружинены для обеспечения штоку положения, выдвинутого из корпуса, а шток снабжен инерционным грузом для взаимодействия с жидкостью, содержащейся в корпусе, причем в переводнике установлен сообщающий рабочую камеру с пространством скважины золотник, запорный элемент которого в закрытом положении зафиксирован посредством штифта, разрушаемого под действием давления силовой жидкости.

По вопросу о соответствии предложенного решения критерию "изобретательский уровень" указываем на следующие обстоятельства. Благодаря имеющимся отличиям предложенное устройство может быть использовано для пробивки трубы в скважине на любой глубине, независимо от наличия упора и от веса рабочей колонны, начиная непосредственно от устья до забоя. Такого свойства не имеет ни аналог, ни прототип. В самом деле, если с помощью указанного выше аналога попытаться пробить НКТ около самого устья, то для пробивки не хватит веса рабочей колонны. А если в таких же условиях потребуется пробить отверстие с помощью прототипа, тогда пробивка не состоится из-за недостаточности высоты столба жидкости в НКТ для приведения в действие пробойника-прототипа. Так, предложенное устройство обладает возможностями, которых нет в известных конструкциях пробойников.

На наш взгляд, еще одним существенным конструктивным отличием предложенного устройства является оснащение его штока инерционным грузом. Благодаря ему после разрушения штифта золотника и резкого образования сообщения между рабочей камерой и пространством скважины, когда внезапно исчезает перепад на поршень штока, упругая энергия сжатия жидкости в корпусе под штоком, а также энергия растянутой стенки корпуса, через шток передается на ускорение его груза, которые вместе со штоком получают значительную скорость, направленную на выдвижение штока из корпуса. Это объясняется тем, что при работе устройства избыточное давление внутри корпуса достигает многих сотен атмосфер, в результате чего указанная энергия упругоемкости достигает существенной величины (нами наблюдалось при проведении экспериментов). По этим причинам шток с грузом после внезапного открытия золотника "перескакивают" положение статического равновесия и под штоком в корпусе происходит дополнительное падение (снижение) давления, что способствует возврату поршня с наконечником обратно внутрь корпуса после пробивки (за счет возрастания внешнего перепада давления на поршень с наконечником). Этим достигается более надежная работа устройства в случаях заклиниваний и заеданий. Нам не известен описанный принцип усиления силы выдергивания рабочего наконечника из отверстия. Именно приведенные особенности, на наш взгляд, позволяют считать отличия устройства соответствующими критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображен предложенный пробойник, продольный разрез; на фиг.2 - сечение I-I в плоскости штифта на фиг. 1; на фиг.3 - сечение II - II в плоскости отверстий-окон на переводнике на фиг.1.

Устройство пробойника следующее.

Пробойник устанавливается в скважине на рабочей колонне труб 1, например на гибких трубах колтюбингового агрегата, которые через переводник 2 соединены с цилиндром 3. Полость рабочей колонны 1 через дроссель 4 сообщена с пространством скважины, а через дроссель 5 - с рабочей камерой 6 через следующие каналы: полость 7 в переводнике 2 и далее через сквозной канал 8 в запорном элементе 9 золотника и в его стержне 12. Полость 10 золотника в переводнике 2 через окна 11 сообщается с пространством скважины. В состоянии, когда устройство спускается в скважину, которое изображено на приводимых фигурах, запорный элемент 9 перекрывает сообщение между рабочей камерой 6 и полостью 10 золотника и далее с пространством скважины. В таком состоянии запорный элемент 9 зафиксирован, так как стержень 12 последнего удерживается штифтом 13, установленным в отверстии 14 переводника 2. Сам штифт 13 в отверстии 14 удерживается винтом 15. Запорный элемент 9 и его стержень 12 имеют уплотнения 16 и 17. В полости цилиндра установлен поршень 18 с уплотнительным элементом 19. Поршень 18 делит полость цилиндра 3 на рабочую 6 и штоковую 20 камеры. Поршень 18 со штоком 21 соединены жестко, а последний уплотнен сальником 22. Пара "поршень 18 - шток 21" снабжена инерционным грузом 23 и подпружинена силовой пружиной 24 и поэтому занимает верхнее крайнее положение. Штоковая камера 20 через отверстие 25 имеет свободное сообщение с пространством скважины. Осевая полость 26 корпуса 27 заполнена минеральным маслом (жидкостью для гидросистем). На корпусе 27 выполнен радиальный канал 28, где расположен поршень 29 с уплотнительным элементом 30 и с рабочим органом 31 - колющим наконечником. Полость 26 корпуса и радиальный канал 28 сообщены через отверстие 32.

Работа пробойника осуществляется следующим образом.

Во время спуска в скважину его детали находятся в положении, изображенном на фиг. 1-3. В процессе погружения его под уровень жидкости в скважине положение деталей не изменяется по следующим причинам:

- поршень 29 утоплен в радиальном канале 28 до отказа, поэтому внешнее давление не может его перемещать ни вглубь, ни в сторону выхода из корпуса;

- на поршень 18 привода штока 21 изменение давления в окружающей среде так же не оказывает действия, так как на него сверху, со стороны рабочей камеры 6, действует такое же давление, какое действует снизу, т.е. со стороны штоковой камеры 20, поскольку камера 6 сообщается с окружающей средой - пространством скважины через сквозной канал 8, дроссели 5 и 4, а штоковая камера 20 сообщена с внешней средой через отверстия 25;

- в таком же равновесии находится и запорный элемент 9 золотника, так как все его поверхности находятся под действием давления окружающей среды, имея сообщение с ней через дроссели 4, 5, канал 8, камеру 6 и окна 11. В связи с указанными обстоятельствами внешнее статистическое давление не вызывает нагружения штифта 13 срезающей силой.

После достижения интервала пробивки спуск инструмента прекращают и начинают прокачивать через полость рабочей колонны 1 силовую жидкость, например воду. При этом расход прокачки и сечение дросселей 4 и 5 расчитывают таким образом, чтобы избыточное давление перед дросселем 4 по сравнению с пространством скважины достигло такой величины, чтобы ее было достаточно для перемещения поршня 18 со штоком 21 вниз с одновременным отжатием пружины 24 и внедрением наконечника 31 в пробиваемую трубу (для большинства НКТ - от 60х5,0 до 114х7,0 указанное избыточное давление не превышает 100 атм по результатам экспериментов с реальными устройствами). При этом в процессе пробивки поток силовой жидкости распределяется следующим образом:

- основная часть вытекает через штуцер 4 в скважину;

- другая часть через штуцер 5 поступает в полость 7 переводника 2, далее через сквозной канал 8 в стержне 12 запорного элемента 9 золотника поступает в рабочую камеру 6 и перемещает поршень 18, т.е. производит работу по пробивке отверстия. При этом жидкость из полости штоковой камеры 20 вытекает в пространство скважины через отверстия 25 в цилиндре 3. В процессе внедрения рабочего органа 31 в стенку пробиваемой трубы происходит рост сопротивления его внедрению, что приводит к замедлению скорости перемещения, соответственно, и поршня 18 гидропривода. По указанной причине уменьшается расход жидкости, поступающей в рабочую камеру 6 через дроссель 5, что приводит к резкому снижению гидравлических сопротивлений в последнем, так как сопротивления в штуцере и расход через него (скорость истечения) имеют квадратичную зависимость. Снижение перепада в штуцере 5 вызывает рост давления в камере 6, что в свою очередь приводит к росту силы внедрения рабочего органа 31. Описанный процесс происходит до полного внедрения рабочего органа 31 и остановки поршня 29 и штока 21 вместе с поршнем 18. При этом прекращается истечение жидкости через штуцер 5. По этой причине давление рабочей жидкости в рабочей камере 6 и в полости 7 становятся равными давлению в рабочей колонне 1, имеющемуся перед штуцерами 4 и 5, которое, как сказано выше, существенно (~ 100 атм) превышает давление среды в пространстве скважины. Это обстоятельство нагружает запорный элемент 9 золотника осевой силой, поскольку на кольцевую площадь между запорным элементом 9 и его стержнем 12 действует только давление в пространстве скважины (через окна 11 и полость 10 золотника). Под действием осевой силы, действующей на запорный элемент 9 и стержень 12, штифт 13 разрушается, они перемещаются вверх, в результате чего камера 6 сообщается с пространством скважины через полость 10 и окна 11. После этого резко снимается перепад давления на поршень 18, так как на него уже и сверху и снизу начинает действовать давление в пространстве скважины. В результате этого под действием пружины 24 поршень 18 и шток 21 с грузом 23 переходят в верхнее крайнее положение, а поршень 29 с рабочим органом 31 под действием давления окружающей среды утапливается в радиальный канал 28.

Если по какой-либо причине произошло защемление или заклинивание поршня 29 и рабочего наконечника 31 в отверстии, процесс отвода поршня 29 происходит несколько по-иному. В указанной ситуации после резкого снятия перепада на поршень 18 под действием энергии упругого сжатия жидкости в полости 26 корпуса 27 (точнее - энергии упругоемкости корпуса 27), шток 21 выбрасывается из осевой полости 26 с силой, в несколько раз превышающей силу сжатия пружины 24 (наша оценка основана на экспериментальных данных). При этом под действием указанной силы и силы пружины 24 система "поршень 18 - груз 23 - шток 21" приобретают значительную скорость, направленную на выход штока 21 из полости 26. Поскольку в данном случае поршень 29 неподвижен, при этом происходит резкое снижение давления в полости 26 корпуса 27. Благодаря инерции груза 23 выдвижение штока 21 происходит и после достижения положения, когда в статических условиях нагружения наступило бы равновесие, т.е. комплекс "поршень 18 - груз 23 - шток 21" перескакивает положение статического равновесия, в результате чего в полости 26 происходит дополнительное снижение абсолютного давления, вплоть до атмосферного и даже до разрыва жидкости в полости 26. По указанной причине кратковременно резко возрастает перепад внешнего давления на поршень 29, что приводит к выдергиванию наконечника 31 из отверстия. Дальнейшее движение поршня 29 во внутрь радиального канала 28 уже происходит, как описано выше, т.е. под действием пружины 24. Причем заметим, что из-за существенной разности в площадях поперечных сечений штока 21 и поршня 29 пружина 24 действует на поршень 29 при его отводе из отверстия многократно увеличенной силой, чем она сама развивает.

После окончания пробивки прокачку силовой жидкости прекращают. Этот момент на устье скважины фиксируется тем, что сначала из-за остановки поршня 18 (в результате окончания пробивки) и прекращения истечения жидкости через штуцер 5 давление на устье возрастает, а потом, после срезания штифта 13, несколько падает, т.к. с открытием золотника истечение жидкости через штуцер 5 снова возобновляется, но уже в скважину по пути "полость 7 - канал 8 - окна 11".

В процессе подъема устройства рабочая жидкость из полости рабочей колонны 1 вытекает в пространство скважины через дроссели 4 и 5. Поскольку площадь запорного элемента 9 больше сечения стержня 12, жидкость, поступающая в устройство через дроссель 5, будет поддерживать запорный элемент 9 в открытом - верхнем положении и будет вытекать в скважину через открытый золотник и окна 11. Для повторного применения из устройства необходимо удалить остатки разрушенного штифта 13 и установить новый штифт 13, зафиксировав золотник в закрытом состоянии согласно фиг.1.

Области предпочтительного использования.

Авторы считают, что предложение может найти применение с комплексами колтюбинговых агрегатов, особенно при малых диаметрах труб. Другая область применения - заливка межколонных пространств старых скважин Поволжья цементным или другим изоляционным раствором путем пробивки стенки обсадных труб с помощью описанного пробойника.

Литература

1. Авторское свидетельство 972039, авторы Вагапов С.Ю., Вагапов Ю.Г.

2. Патент РФ 2057894, авторы Вагапов С.Ю., Вагапов Ю.Г.