способ вскрытия продуктивных пластов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ вскрытия продуктивных пластов, включающий спуск перфоратора в скважину на заданную глубину, прижатие его к стенке обсадной трубы механизмом фиксации и калиброванного перемещения вдоль оси скважины с приводным механизмом в виде вращающегося колеса, последующее перемещение вверх со стабильной дозированной подачей и одновременное прорезание щели заданного размера в стенке обсадной трубы выдвижной дисковой фрезой, последующее прорезание щели в продуктивном пласте режущим устройством, находящимся в одной плоскости с фрезой и выполненным в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, путем постепенного поворота его из продольного положения в поперечное положение относительно ствола скважины, отличающийся тем, что в процессе спуска перфоратора в скважину его поворачивают вокруг продольной оси до совпадения плоскости дисковой фрезы с апсидальной плоскостью скважины.

2. Устройство для вскрытия продуктивных пластов, содержащее режущее устройство в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, шарнирно соединенного с корпусом с возможностью поворота его из продольного положения в поперечное положение относительно ствола скважины, приводное устройство цепи и выдвижную дисковую фрезу, установленную в корпусе в одной плоскости с режущим устройством, механизм фиксации и калиброванного перемещения с приводным механизмом в виде вращающегося колеса с возможностью опоры на внутреннюю поверхность обсадной трубы в зоне перфорации, а фреза установлена с возможностью вращения и одновременного перемещения в сторону обсадной трубы, отличающееся тем, что перфоратор снабжен упругими демпфированными упорами в обсадную трубу.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что введено устройство контроля угла поворота пилы с запоминанием его максимального значения.

4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что введен ловитель стружки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и найдет применение при проведении перфорационных работ в скважинах для образования щелевых вырезов в стенке обсадной трубы и в пласте вблизи скважины.

Известен способ вскрытия пластов в обсаженных скважинах, заключающийся в том, что вскрытие пласта осуществляют перфоратором с зубчатой цепью [патент РФ № 2007549, кл. E21B 43/11, 1994 г.]. Недостатками такого способа являются малая (меньше диаметра обсадной трубы) глубина перфорации и низкая надежность режущего инструмента из-за вибраций, возникающих на нем вследствие упругих свойств НКТ и жидкости, подаваемой под давлением с поверхности в двигатель перфоратора.

Известен также способ вскрытия пластов, заключающийся в том, что вскрытие пласта осуществляют режущим устройством перфоратора, опускаемого на уровень пласта на НКТ или гибких трубах [патент РФ № 2137912, кл. E21B 43/00, E21B 29/00, 1999 г.]. Режущее устройство выполнено в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами. При использовании цепь обегает вокруг рычага, в то время как он постепенно поворачивается из продольного в поперечное положение относительно ствола скважины. Недостатками данного устройства являются низкая надежность и большое энергопотребление, кроме того, это устройство не позволяет вскрывать пласты из скважины со стальными обсадными трубами.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ, включающий спуск перфоратора в скважину на заданную глубину, последующее перемещение вверх и одновременное прорезание щели заданного размера в стенке обсадной трубы выдвижной дисковой фрезой, последующее продолжение прорезания щели в продуктивном пласте режущим устройством, находящимся в одной плоскости с фрезой и выполненным в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, путем постепенного поворота его из продольного положения в поперечное положение относительно ствола скважины. [Патент РФ № 2254450, кл. E21B 43/11, 2002 г.]

Устройство для вскрытия продуктивных пластов, содержащее режущее устройство в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, шарнирно соединенного с корпусом с возможностью поворота его из продольного положения в поперечное положение относительно ствола скважины, приводное устройство цепи и выдвижную дисковую фрезу, установленную в корпусе в одной плоскости с режущим устройством, механизм фиксации и калиброванного перемещения с приводным механизмом в виде вращающегося колеса с возможностью опоры на стенку обсадной трубы в зоне перфорации и электрический двигатель.

Недостатками известного способа являются низкая надежность процесса перфорации и недостоверность контроля вскрытия пласта.

Низкая надежность устройства, реализующего этот способ, заключается в большой вероятности заклинивания фрезы в образованной щели в стенке обсадной трубы из-за произвольной фиксации перфоратора относительно апсидальной плоскости скважины (вертикальной плоскости, в которой лежит траектория скважины).

Механизм заклинивания фрезы поясняется на Фиг.1. При кустовом бурении все нефтяные скважины, как правило, наклонены. Для простоты понимания перфоратор показан в положении, при котором плоскость дисковой фрезы лежит в горизонтальной плоскости, а поперечное сечение скважины и векторы сил спроектированы на вертикальную плоскость, центр вращения O совпадает с положением щели (после врезания фрезы в трубу поворот перфоратора возможен только относительно щели). Перфоратор 1 расположен ниже оси скважины O₁ из-за действия силы тяжести перфоратора F₁. Так как сила прижатия F₅ фиксатора и калиброванного перемещения 4 направлена не перпендикулярно к поверхности обсадной трубы 16, то возникают силы реакции F₃, F₆, стремящиеся повернуть перфоратор, однако этого не происходит из-за наличия силы трения F₂.

В процессе фрезерования щели в трубе возникают вибрации, возрастающие с углублением фрезы в трубу, силы F₂, F₃, F₆ флуктуируют по случайному закону и наступает момент, когда перфоратор поворачивается относительно щели (известный в технике эффект самопроизвольного откручивания гаек при вибрациях), происходит заклинивание фрезы в щели и поломка перфоратора.

Имеющийся в известном устройстве узел исключения поворота перфоратора не выполняет данную функцию, так как штырь вводится в уже прорезанную щель с неизбежным зазором и в принципе не может препятствовать повороту перфоратора относительно щели. Кроме того, поломка перфоратора может произойти до ввода штыря в щель.

В устройстве по этому способу не предусмотрен контроль угла поворота рычага пилы и достоверно не известно, создана ли щель в обсадной трубе и продуктивном пласте, а гарантирован контроль пройденного расстояния вдоль трубы.

Техническим результатом способа и устройства является повышение надежности вскрытия пласта и достоверности контроля вскрытия.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе вскрытия продуктивных пластов, включающем спуск перфоратора в скважину на заданную глубину, последующее перемещение вверх и одновременное прорезание щели заданного размера в стенке обсадной трубы выдвижной дисковой фрезой, последующее прорезание щели в продуктивном пласте режущим устройством, находящимся в одной плоскости с фрезой и выполненным в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, путем постепенного поворота его из продольного положения в поперечное относительно ствола скважины, перфоратор в процессе спуска в скважину разворачивают до совпадения плоскости фрезы с апсидальной плоскостью скважины и контролируют угол поворота рычага пилы с запоминанием его максимального значения в процессе фрезерования продуктивного пласта.

Технический результат в устройстве для вскрытия продуктивных пластов заключается в том, что перфоратор, содержащий электрический двигатель, режущее устройство в виде пилы с рычагом, несущим бесконечную цепь с режущими элементами, шарнирно соединенным с корпусом с возможностью поворота его из продольного положения в поперечное относительно ствола скважины, приводное устройство цепи и выдвижную дисковую фрезу, установленную в корпусе в одной плоскости с режущим устройством, механизмом фиксации и калиброванного перемещения с приводным механизмом в виде вращающегося колеса с возможностью опоры на внутреннюю поверхность обсадной трубы в зоне перфорации, перфоратор снабжен одним или несколькими упругими демпфированными упорами в обсадную трубу, силы действия которых лежат в плоскости дисковой фрезы, устройством контроля угла поворота рычага пилы с запоминанием его максимального значения и ловителем металлической стружки.

За счет оснащения перфоратора упругими упорами, упирающимися в стенку обсадной трубы, в процессе спуска перфоратора в скважину происходит его поворот до совмещения оси перфоратора и плоскости фрезы с апсидальной плоскостью скважины.

Механизм поворота перфоратора в процессе спуска в скважину поясняется на Фиг.2.

При отсутствии упоров перфоратор всегда находится в точке устойчивого равновесия А, как это показано на Фиг.2 штрихпунктирной линией, однако при этом плоскость фрезы находится в произвольном положении относительно апсидальной плоскости 17. При наличии упругих упоров 3 перфоратор 1 в исходном состоянии находится в произвольном положении относительно апсидальной плоскости скважины, как показано на Фиг.2. Перфоратор не может повернуться до плоскости устойчивого равновесия (в данном случае плоскостью устойчивого равновесия является апсидальная плоскость) из-за противодействия сил трения F₂, F₄. В процессе спуска перфоратора в скважину возникают вибрации и удары на стыках обсадных труб в результате силы трения изменяются по случайному закону и могут принимать нулевое значение, чему способствует демпфирование упоров.

Для упрощения понимания примем силы трения равными нулю, тогда перфоратор с упорами под действием силы тяжести перфоратора F₁, скользя без трения по внутренней поверхности обсадной трубы 16, поворачивается относительно оси скважины O₁ до совпадения центра тяжести перфоратора и упоров с апсидальной плоскостью 17, как показано на Фиг.3 (где 3 - упругий упор, 7 - фреза, 1 - перфоратор). Легко видеть, что в данном случае при прорезании щели в обсадной трубе не произойдет поворота перфоратора и не произойдет заклинивания фрезы.

Контроль угла поворота рычага пилы с запоминанием его максимального значения дает достоверную информацию о том, что прорезана щель в обсадной трубе и продуктивном пласте (см. Фиг.4). Длина щели может быть точно определена умножением калиброванной скорости перемещения перфоратора на время перфорации.

Ловитель защищает пилу от заклинивания металлической стружкой.

На Фиг.4 показан перфоратор в процессе прорезания щели в обсадной трубе и продуктивном пласте, на Фиг.5 - общий вид перфоратора.

Устройство для вскрытия продуктивных пластов 1 содержит электродвигатель 2, упругие упоры 3, механизм 4 фиксации и калиброванного перемещения перфоратора с приводным механизмом, выполненным в виде вращающегося колеса 5, узел подвески 6 с режущим элементом в виде дисковой фрезы 7, устройство контроля угла поворота пилы 8, пилу 9 с рычагом и обегающую вокруг него бесконечную цепь 10, устройство 11 приведения узлов и механизмов перфоратора в исходное положение при аварийном извлечении перфоратора из скважины, программный механизм 12 управления режимами работы перфоратора, демпфер упругого упора 13, ловитель стружки 15.

Вращение от электродвигателя 2 через кинематические цепи передается на приводной механизм 4 фиксации и калиброванного перемещения перфоратора на узел вращения дисковой фрезы 7, на узел движения цепи 10 пилы 9, через винтовую пару на программный механизм 12 управления режимами работы перфоратора.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

На каротажном кабеле 14 перфоратор опускают в скважину и одновременно поворачивают его относительно продольной оси до совпадения плоскости дисковой фрезы с апсидальной плоскостью скважины. По достижении заданной глубины спуск прекращают, подают электрическое напряжение на электродвигатель и включают режим перфорации, для чего осуществляют выдвижение исполнительных элементов механизма 4 фиксации и калиброванного перемещения перфоратора, обеспечивая таким образом, прижатие перфоратора к стенке обсадной трубы и его движение вверх, затем осуществляют подвод вращающейся дисковой фрезы 7 к стенке обсадной трубы и прорезают в ней щель. После достижения заданной длины щели программным механизмом 12 поворачивают пилу 9 с заданной скоростью из продольного положения в поперечное относительно продольной оси скважины, одновременно прорезая щель в обсадной трубе и продуктивном пласте, как показано на Фиг.4. При достижении щелью длины расчетного значения перфоратор переключают в реверсивный режим, при этом все устройства и механизмы перфоратора устанавливаются в исходное положение и перфоратор извлекают из скважины.

Применение предлагаемым способа и устройства за счет поворота перфоратора при спуске в скважину до совпадения плоскости фрезы с апсидальной плоскостью скважины исключает поворот перфоратора относительно щели в процессе перфорации и исключает заклинивание фрезы и поломку перфоратора.

Применение устройства контроля угла поворота пилы с запоминанием его максимального значения позволяет достоверно судить о вскрытии пласта (см. Фиг.4).

Применение ловителя исключает заклинивание пилы металлической стружкой.