устройство для бурения глубоких перфорационных каналов в обсаженной скважине

Формула изобретения

1. Устройство для бурения глубоких перфорационных каналов в обсаженной скважине, включающее спускаемый на трубах на заданную глубину снабженный анкером корпус с направляющей, выполненный с возможностью перемещения внутри труб и корпуса средством перемещения, проходящий через кольцевое уплотнение корпуса, гидравлический двигатель, полость которого сообщается с полостью разрушающего инструмента, отличающийся тем, что гидропривод включает полые ведущий и ведомый валы, выполненные с возможностью вращения и продольного перемещения ведомого вала внутри ведущего до посадки в гнездо последнего, образуя негерметизированную пару цилиндр-поршень, и передачи момента вращения от ведущего к ведомому валу через храповой механизм, корпус имеет гидравлический канал для сообщения полости направляющей с кольцевым пространством скважины, при этом со стороны, противоположной выходному отверстию направляющей, в корпусе установлен гидравлический отклонитель типа поршень-цилиндр, а в верхней его части имеется цилиндрическое углубление, выполненное с возможностью герметичной посадки с вращением ведущего вала, причем анкер размещен вне корпуса и связан с ним резьбовым соединением посредством переводника, а гидравлический двигатель выполнен с возможностью герметичной посадки в кольцевое уплотнение, установленное выше цилиндрического углубления в корпусе на расстоянии, меньшем суммарной длины двигателя и ведущего вала, при этом на внутренней поверхности корпуса установлен стопор, выполненный с возможностью взаимодействия с выступами на внешней поверхности корпуса гидравлического двигателя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для разрушения обсадной колонны разрушающий инструмент включает гибкий вал и разрушающую головку.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для получения перфорационных каналов в абразивных горных породах разрушающий инструмент включает полый гибкий вал и долото.

4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что средство перемещения выполнено в виде троса, связанного с гидравлическим двигателем.

5. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что средство перемещения выполнено в виде троса, связанного с гидравлическим двигателем.

6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что средство перемещения выполнено в виде гибких труб, полость которых сообщается с полостью гидравлического двигателя.

7. Устройство по п.1 или 3, отличающееся тем, что средство перемещения выполнено в виде гибких труб, полость которых сообщается с полостью гидравлического двигателя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области нефтегазодобычи и может быть использовано для вторичного вскрытия продуктивных пластов обсаженных скважин.

Известно устройство для бурения глубоких перфорационных каналов в абразивных горных породах, включающее блок сверления, состоящий из гидравлического двигателя и сверла, блок бурения, состоящий из гибкого вала и долота, и поршневой гидропривод.

Устройство спускают на трубах на требуемую глубину, заякоривают, а разрушение обсадной колонны производят вращением сверла гидравлическим двигателем с продольным перемещением при помощи поршня. Затем производят втягивание сверла в исходное положение, перемещение блока сверления вниз и установку на его место блока бурения, в котором соединенное с гибким валом долото позиционируется соосно с полученным отверстием в обсадной колонне. Производят бурение канала в горной породе с промывкой вращением гибкого вала, снабженного долотом, гидравлическим двигателем с поршневым гидроприводом продольного перемещения. После окончания бурения втягивают гибкий вал с долотом в корпус устройства и перемещают блоки бурения и сверления вверх 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 [1].

Устройство имеет следующие недостатки:

1. Ввиду того, что возврат сверла и гибкого вала с долотом осуществляется по командам с поверхности подачей и снятием избыточного давления при отсутствии информации у оператора о достижении сверлом и долотом заданной глубины сверления и бурения, может произойти сверление обсадной колонны на глубину, меньшую заданной. Так как для бурения применяется специализированное долото, оно может не обеспечить разрушение обсадной колонны.

2. Для замены сверла и долота необходимо поднять и спустить на трубах устройство, что требует значительных затрат времени.

3. Для получения каждого перфорационного канала необходимо произвести позиционирование корпуса перемещением колонны труб, что не позволяет на больших глубинах получать равномерно расположенные по пласту каналы.

Известно также устройство для получения глубоких каналов в обсаженной скважине, сложенной абразивными горными породами. Устройство, снабженное направляющей, спускается до требуемой глубины на колонне труб. Затем производят спуск на гибких трубах внутри колонны труб забойного двигателя, соединенного с разрушающим инструментом, состоящим из гибкого вала, снабженного разрушающим элементом. Прикладывают нагрузку и создают избыточное давление жидкости в полости гибких труб, обеспечивающих вращение и продольное перемещение разрушающего инструмента, производят разрушение обсадной колонны и подъем двигателя с разрушающим инструментом. Внутри колонны труб в направляющую в полученное отверстие в обсадной колонне спускают на гибких трубах гидромониторное сопло. Создают высокое избыточное давление (до 70 МПа) воды с добавлением ПАВ и производят разрушение горной породы и получение канала с помощью гидромониторного эффекта, после чего трубы с соплом поднимают. Для получения следующего канала необходимо сбросить давление и переместить колонну труб вместе с корпусом [2].

Недостатки указанного устройства следующие:

1. При разрушении продуктивного пласта гидромониторной струей высокого давления в пласт фильтруется очень большое количество воды, снижающей его коллекторские свойства.

2. При разрушении обсадной колонны нагрузка на разрушающий инструмент регулируется с поверхности при помощи гибких труб, что при малых создаваемых нагрузках (порядка 2000 Н), не позволяет точно ее контролировать. Это может привести к слому вала при превышении нагрузки максимально допустимой величины или медленному разрушению обсадной колонны при малой нагрузке.

3. Отсутствует индикация окончания операции разрушения обсадной колонны, что может привести к неполному ее разрушению.

4. Использование гидромониторной струи с высокими скоростями истечения может, вследствие неравномерности взаимодействия струи с горной породой и наличия реактивной силы, привести к значительным отклонениям канала в любом направлении, в том числе выход канала за пределы продуктивного пласта.

5. Производимое на поверхности продольное и угловое перемещения труб, необходимые для получения каждого последующего канала в пласте, не соответствует перемещениям корпуса в скважине, в особенности искривленной. Это не позволяет получить равномерное по окружности и высоте распределение каналов в околоскважинной зоне пласта.

6. В неабразивных горных породах, например меловых отложениях, перфорационные каналы достаточной глубины могут быть получены инструментом, используемым для разрушения обсадной колонны. В этих условиях в операции спуска инструмента для разрушения горной породы нет необходимости.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) к предлагаемому является устройство для осуществления способа формирования глубоких каналов в обсаженной скважине, которое может быть использовано для неабразивных горных пород. Устройство включает спускаемый на трубах до требуемой глубины корпус с направляющей и кольцевым уплотнением гидропривода и спускаемый на грузонесущем кабеле внутри труб и проходящий через кольцевое уплотнение гидравлический двигатель, соединенный с полым гибким валом, снабженным режущей головкой, используемых для получения отверстия в обсадной колонне и канала в неабразивной горной породе. Для фиксации корпуса устройства в обсадной колонне используется анкер [3].

Недостатки устройства следующие:

1. Нагрузка на гибкий вал и разрушающую головку зависит не только от давления в колонне труб, но и от веса грузонесущего кабеля, а также степени его натяжения. Последние два параметра взаимосвязаны и с трудом поддаются регулировке с поверхности.

2. В процессе работы при незафиксированном корпусе двигателя, вследствие собственных колебаний двигателя и различного направления перемещения двигателя в кольцевом уплотнении и изогнутого гибкого вала, может произойти разгерметизация уплотнения гидропривода и, как следствие, остановка вращения двигателя, а возникающий реактивный момент будет вращать его и весь инструмент в противоположную сторону.

3. Отсутствует механизм предохранения вала от перегрузки, которая может возникнуть при заклинке режущей головки и гибкого вала частицами выбуренной породы, что может привести к слому вала.

4. Устройство не обеспечивает контроль за окончанием процесса бурения перфорационного канала, что может привести к получению канала глубиной, меньшей заданной, или работе вхолостую.

5. Вследствие растяжения труб и их взаимодействия со стенками скважины, перемещения труб на поверхности могут не соответствовать перемещениям корпуса, поэтому перемещение корпуса с поверхности колонной труб не позволяет получить равномерно расположенные каналы.

6. Так как корпус устройства не плотно прижат к обсадной колонне, возможно отклонение гибкого вала и бурящегося канала от нормали к поверхности обсадной колонны.

7. Устройство может быть использовано только для получения каналов в неабразивных горных породах, тогда как большинство продуктивных пластов сложены абразивными песчаниками. Как известно, использующийся для разрушения обсадной колонны инструмент быстро стачивается и не может эффективно использоваться в абразивных горных породах, а инструмент, использующийся для разрушения абразивных горных пород, например, алмазный, не может быть эффективно использован для разрушения металла обсадной колонны.

Задачей изобретения является получение с высокой надежностью и управляемостью равномерно расположенных по винтовой линии каналов заданной глубины в горных породах любой абразивности.

Для успешного решения указанной задачи устройство для получения глубоких перфорационных каналов в обсаженной скважине, включающее спускаемый на трубах на заданную глубину снабженный анкером корпус с направляющей и кольцевым уплотнением гидропривода, а также выполненный с возможностью перемещения внутри труб и корпуса средствами перемещения, проходящий через уплотнение гидравлический двигатель, полость которого сообщается с полостью разрушающего инструмента, состоящего из гибкого вала, снабженного режущей головкой, содержит инструмент для разрушения обсадной колонны и инструмент для разрушения горной породы, а гидропривод состоит из полых ведущего и ведомого валов, выполненных с возможностью вращения и продольного перемещения последнего внутри ведущего вала до посадки в гнездо ведущего вала, образуя негерметизированную пару цилиндр - поршень, причем момент вращения от ведущего вала к ведомому валу передается через храповой механизм, корпус содержит гидравлический канал, сообщающий полость направляющей с кольцевым пространством скважины, при этом со стороны противоположной выходному отверстию направляющей в нем установлен гидравлический отклонитель типа поршень-цилиндр, а в верхней части корпуса имеется цилиндрическое углубление, выполненное с возможностью герметичной посадки с вращением ведущего вала, причем вне корпуса установлен анкер, находящийся в резьбовом соединении с переводником, соединенным с корпусом, а двигатель выполнен с возможностью герметичной посадки в кольцевое уплотнение, установленное выше углубления в корпусе на расстоянии, меньшем суммарной длины двигателя и ведущего вала, при этом на внутренней поверхности корпуса установлен стопор, выполненный с возможностью взаимодействия с выступами на внешней поверхности корпуса двигателя, причем для получения перфорационных каналов в абразивных горных породах используют инструмент для разрушения горной породы, состоящий из гибкого вала и долота, а в качестве средств перемещения используются гибкие трубы, полость которых сообщается с полостью двигателя.

Указанные признаки позволяют устранить недостатки, присущие прототипу, за счет использования гидропривода подачи инструмента, обеспечивающего приложение заданной нагрузки на разрушающий инструмент, герметичную фиксацию двигателя и передачу момента и нагрузки с предохранением инструмента от перегрузки и с индикацией окончания формирования перфорационного канала.

При этом резьбовое соединение анкера с хвостовиком корпуса обеспечивает равномерное перемещение последнего по винтовой линии.

Нам не известны устройства, обладающие совокупностью вышеперечисленных признаков, что означает соответствие предлагаемого устройства требованиям, предъявляемым к изобретениям.

На фиг.1 схематично изображен корпус устройства после заякоривания. На фиг.2 и 3 схематично изображено разрушение обсадной колонны и бурение канала в горных породах с использованием троса для проведения спуско-подъемных операций. На фиг.4, 5 представлен вариант осуществления устройства в абразивных горных породах с использованием гибких труб.

Устройство для бурения глубоких перфорационных каналов в обсадной скважине (фиг.1) содержит установленный на колонне труб 1 корпус 2 с направляющей 3, верхняя часть которого имеет соосное направляющей 3 цилиндрическое углубление 4, герметизированное уплотнением 5. Полость направляющей 3 сообщается гидравлическим каналом 6 с кольцевым пространством скважины. В корпусе 2 со стороны противоположной выходному отверстию направляющей 3 установлен также гидравлический отклонитель 7, имеющий конструкцию поршень - цилиндр, причем последний сообщается с полостью труб 1 (не показано). Корпус 2 неподвижно соединен с хвостовиком (переводником) 8, находящимся в резьбовом соединении с большим шагом с анкером 9. В верхней части корпуса 2 соосно цилиндрическому углублению 4 установлено кольцевое уплотнение 10 для герметичной посадки гидравлического двигателя.

С помощью подъемника 11 с тросом 12 (фиг.2,3), производят спуско-подъемные операции внутри труб 1. Трос 12 соединен с гидравлическим двигателем 13, например, винтовым, соединенным с гидроприводом 14. Гидропривод 14 состоит из полых ведущего 15 и ведомого 16 валов, находящихся в шлицевом соединении посредством подпружиненного храпового механизма 17. Ведомый вал 16, имеющий утолщение 18, выполнен с возможностью продольного перемещения внутри ведущего вала 15 вплоть до посадки в гнездо 19 ведущего вала 15, образуя негерметизированную пару цилиндр - поршень. Ведомый вал 16 соединен с инструментом 20 (фиг.2) для разрушения обсадной колонны 22 и инструментом 21 (фиг.3) для разрушения горной породы 23. Инструмент 20 состоит из гибкого вала 24 и разрушающей головки 25, например сверла, а инструмент 21 состоит из полого гибкого вала 26 большей длины и долота 27 меньшего диаметра, например, алмазного для бурения абразивных горных пород. Требуемая глубина разрушения обсадной колонны 22 и горной породы 23 определяется длиной продольного перемещения ведомого вала 16 от верхней точки до посадки его утолщения 18 в гнездо 19. Для компенсации реактивного момента двигателя 13 на внутренней поверхности трубы имеется стопор 28, а на внешней поверхности двигателя 13 - выступы 29, выполненные с возможностью взаимодействия. Кольцевое уплотнение 10 установлено выше цилиндрического углубления 4 на расстоянии, меньшем суммарной длины двигателя и ведущего вала.

Для проведения спуско-подъемных операций используются гибкие трубы 30 (фиг.4,5). Полость гибких труб 30 сообщается с гидронасосом (не показан) и с полостью двигателя 13. Остальные элементы конструкции: корпус 2, гидропривод 14, а также инструмент 20 и инструмент 21 соответствуют варианту устройства, изображенному на фиг.2 и 3.

Устройство работает следующим образом.

На трубах 1 до глубины залегания абразивной горной породы 23 спускают корпус 2 устройства, соединенный хвостовиком 8 с анкером 9. Фиксируют корпус 2 и трубы 1 анкером 9.

При помощи подъемника 11 на тросе 12 внутри труб 1 спускают двигатель 13 с гидроприводом 14 и инструментом 20 (фиг.2). Спуск производят до упора ведущего вала 15 гидропривода 14 в герметизированное уплотнением 5 цилиндрическое углубление 4. В этом положении двигатель 13 герметизируется сверху кольцевым уплотнением 10, а стопор 28 и выступы 29 располагаются на одном уровне. Инструмент 20 упирается в обсадную колонну 22, а ведомый вал 16 занимает верхнее положение.

В полости труб 1 нагнетают избыточное давление, обеспечивающее прижатие корпуса 2 устройства к обсадной колонне 22 отклонителем 7 и вращение ведущего вала 15 двигателем 13, передающим момент вращения посредством шлицевого соединения храпового механизма 17 от ведущего 15 к ведомому 16 валу. Давление с выкида двигателя 13 прикладывается к утолщению 18 ведомого вала 16, создавая продольную нагрузку. Соединенный с ведомым валом 16 гибкий вал 24 передает момент вращения и нагрузку на разрушающую головку 25, обеспечивая разрушение обсадной колонны 22. Часть потока жидкости проходит через полые валы 15, 16 и 24 и разрушающую головку 25 и выходит через кольцевое пространство бурящегося канала, а другая часть потока, проходя через кольцевой зазор между утолщением 18 ведомого вала 16 и внутренними стенками ведущего вала 15, выходит в кольцевое пространство скважины через гидравлический канал 6.

При превышении момента вращения предельно-допустимой величины срабатывает храповой механизм 17, прерывая шлицевое соединение между ведущим 15 и ведомым 16 валами и предотвращая слом гибкого вала 24.

После просверливания отверстия в обсадной колонне 22 утолщение 18 ведомого вала 16 садится в гнездо 19 ведущего вала 15, перекрывая поток жидкости, выходящий через гидравлический канал 6. Происходит резкое увеличение давления жидкости, фиксируемое на дневной поверхности. Это служит сигналом окончания разрушения обсадной колонны 22.

Сбрасывают давление жидкости. Производят подъем внутри труб 1, двигателя 13 с приводом 14 инструмента 20 и его замену на инструмент 21 для разрушения горной породы, содержащий гибкий вал 26 большей длины с долотом 27 меньшего диаметра.

Производят спуск на тросе 12 внутри труб 1 двигателя 13 с приводом 14 и инструментом 21 до посадки ведущего вала 15 в углубление 4. Долото 27 входит в отверстие в обсадной колонне 22, упираясь в горную породу 23, а ведомый вал 16 занимает верхнее положение. Создают избыточное давление в полости труб 1, обеспечивая прижатие корпуса 2 устройства к обсадной колонне 22, привод во вращение двигателем 13 и продольное перемещение гидроприводом 14 инструмента 21 и бурение с промывкой канала в горной породе 23.

После пробуривания канала заданной глубины утолщение 18 ведомого вала 16 садится в гнездо 19 ведущего вала 15, давление резко возрастает, сигнализируя окончание бурения. Сбрасывают давление жидкости и поднимают двигатель 13 с приводом 14 инструмента 21 на поверхность.

Для получения следующего перфорационного канала поворачивают колонну труб 1. Хвостовик 8, свободно вращаясь по резьбе анкера 9 с соответствующим шагом, перемещается по винтовой линии вместе с корпусом 2, что позволяет получать перфорационные каналы, расположенные по винтовой линии.

Перфорационный канал в неабразивных горных породах, например меловых отложениях, может быть получен за один рейс инструментом 20 для разрушения обсадной колонны.

При использовании гибких труб 30 (фиг.4, 5), нагнетаемое в их полости избыточное давление передается в полость двигателя 13 и гидропривода 14, обеспечивая привод во вращение и продольное перемещение инструмента 20 или инструмента 21. Порядок проведения операций по формированию перфорационного канала соответствует изложенному выше. С помощью гибких труб 30 производят также спуско-подъемные операции.

После завершения работы устройства создают натяжение колонны труб 1 и при определенной нагрузке (около 5 тонн) происходит срыв анкера 9, приобретающего свой первоначальный транспортный диаметр.

Источники информации.

1. Патент Канады СА 2238782.

2. Патент США № 5853056.

3. Патент РФ № 2190089, опубл. 09.04.2002, Бюл. № 27.