RU2198997C1

RU2198997C1 - Downhole pipe drift

Info

Publication number: RU2198997C1
Application number: RU2001114909A
Authority: RU
Inventors: С.Ю. Вагапов; Ю.Г. Вагапов
Original assignee: Вагапов Самат Юнирович; Вагапов Юнир Гафурович
Priority date: 2001-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2003-02-20

Abstract

FIELD: underground repairs of wells designed for making holes in pipe walls for communication of pipe cavity with ambient medium. SUBSTANCE: downhole pipe drift has cylinder and hollow filled with fluid body with side channel accommodating piston with working member, rod installed in hollows of body and cylinder for axial motion. Hollow plunger installed in cylinder hollows is connected with rod having shear member and forms rod and working chambers in cylinder. Drift has sub whose channel communicates working chamber with ambient medium and also locking member closing sub channel, and anchor installed in sub for axial motion and connected with sub by shear member. Novelty consists in that installed in body hollow is flexible deformable member for locking of rod relative to body. Locking member in sub channel is made in the form of plug provided with sealing member installed for opening to working chamber and rigidly connected with anchor. EFFECT: higher reliability of downhole pipe drift and extended its functional potentialities. 3 dwg

Description

Изобретение относится к подземному ремонту скважин и предназначено для получения отверстия в стенке трубы с целью сообщения ее полости с окружающей средой. The invention relates to underground repair of wells and is intended to obtain holes in the wall of the pipe in order to communicate its cavity with the environment.

В качестве аналога принято устройство, содержащее сверло, электропривод для его вращения и осевого перемещения, электрокабель для питания энергией от наземного источника [1]. As an analogue, a device containing a drill, an electric drive for its rotation and axial movement, an electric cable for power supply from a ground source [1], was adopted.

Недостатком указанного устройства является необходимость использования для его спуска в скважину электрокабеля, что в ряде условий усложняет технологию выполнения отверстия в стенке трубы в скважине. The disadvantage of this device is the need to use for its descent into the well an electric cable, which in a number of conditions complicates the technology of making holes in the pipe wall in the well.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является спускаемый в скважину на рабочей колонне пробойник для труб, содержащий цилиндр и полый заполненный жидкостью корпус с боковым каналом, поршень с рабочим органом, шток, установленный в полости корпуса и цилиндра. В полости цилиндра установлен полый плунжер, связанный со штоком со срезным элементом, образующий в цилиндре две камеры: штоковую - с одной, рабочую - с другой стороны. Рабочая камера цилиндра сообщена с окружающей средой через каналы переводника, гидравлическая связь через которые перекрыта разрушаемой заглушкой. Внутри переводника установлен якорь с возможностью осевого перемещения и взаимодействия с разрушаемой заглушкой, который зафиксирован относительно переводника посредством срезного штифта и жестко связан с рабочей колонной [2]. The closest in technical essence and the achieved result is a pipe breaker lowered into the well on the working string, containing a cylinder and a hollow body filled with liquid with a side channel, a piston with a working body, a rod installed in the cavity of the body and cylinder. A hollow plunger is installed in the cylinder cavity, connected with the rod with a shear element, forming two chambers in the cylinder: a rod chamber on one side and a working chamber on the other side. The working chamber of the cylinder is in communication with the environment through the channels of the sub, the hydraulic connection through which is blocked by a destructible plug. An anchor is installed inside the sub with the possibility of axial movement and interaction with the destructible plug, which is fixed relative to the sub by means of a shear pin and is rigidly connected to the working column [2].

Недостатки указанной конструкции, выявленные в процессе использования, следующие:
1. Для применения устройства необходимо наличие упора в пробиваемой колонне труб, что ограничивает сферу его использования.The disadvantages of this design, identified during use, are as follows:
1. To use the device, it is necessary to have a stop in the pipe string being punched, which limits the scope of its use.

2. В процессе извлечения пробойника из пробитой колонны труб иногда наблюдается его заклинивание по пути из-за самопроизвольного выхода поршня с рабочим органом из корпуса. Это происходит вследствие того, что воздух в штоковой камере цилиндра после завершения операции пробивки в результате перемещения плунжера находится под некоторым давлением, составляющим в реальных конструкциях около 2-4 атм. По мере подъема пробойника после пробивки гидравлическое давление окружающей среды вокруг устройства постепенно понижается и поэтому, если указанное внешнее давление становится меньше, чем давление в штоковой камере устройства, под действием избыточного давления в последней шток повторно входит в корпус и вытесняет поршень с рабочим органом наружу до контакта со стенкой колонны труб, что приводит к заклиниванию устройства в пути, т.е. происходит отказ устройства от нормальной работы. 2. In the process of extracting the punch from the punctured pipe string, sometimes it is jammed along the path due to spontaneous exit of the piston with the working body from the body. This is due to the fact that the air in the rod chamber of the cylinder after completion of the punching operation as a result of the movement of the plunger is under some pressure, which in real structures is about 2-4 atm. As the punch rises after punching, the hydraulic pressure of the environment around the device gradually decreases and therefore, if the specified external pressure becomes less than the pressure in the rod chamber of the device, under the influence of excess pressure in the last rod re-enters the housing and displaces the piston with the working body outward to contact with the wall of the pipe string, which leads to jamming of the device in transit, i.e. the device refuses normal operation.

Целью изобретения является повышение надежности пробойника и расширение его функциональных возможностей. The aim of the invention is to increase the reliability of the punch and expand its functionality.

Поставленная цель достигается тем, что в полости корпуса установлен упругодеформируемый элемент для фиксации штока относительно корпуса, а запорный элемент на канале переводника выполнен в виде пробки, снабженной уплотнительным элементом, установленной с возможностью открывания в рабочую камеру и жестко связанной с якорем. This goal is achieved by the fact that an elastically deformable element is installed in the body cavity for fixing the rod relative to the body, and the locking element on the sub channel is made in the form of a stopper equipped with a sealing element installed with the possibility of opening into the working chamber and rigidly connected to the anchor.

По вопросу об изобретательском уровне предложенных конструктивных решений сообщаем следующее. On the question of the inventive step of the proposed design solutions, we report the following.

Известный скважинный пробойник [3] является устройством, близким по технической сущности и достигаемому результату. Однако ему присущи те же недостатки, которые характерны для прототипа, т.е. он требует наличия упора в скважине и, кроме того, его рабочий орган также иногда заклинивает в пробитой трубе, в результате чего возникают затруднения при извлечении устройства из полости поднятой на поверхность пробитой трубы после окончания ремонта. Known downhole punch [3] is a device similar in technical essence and the achieved result. However, it has the same disadvantages that are characteristic of the prototype, i.e. it requires an emphasis in the well and, in addition, its working body also sometimes jams in the punctured pipe, which makes it difficult to remove the device from the cavity of the punctured pipe raised to the surface after the repair is completed.

Отличительные признаки описанного в настоящей заявке устройства придают ему следующие новые свойства:
- дают возможность пробивки трубы в любом интервале, для чего необходимо установить его на нужной глубине путем опускания, например, на скребковой проволоке с помощью высокопроизводительного оборудования канатной техники и создать давление в пробиваемой колонне, достаточное для разрушения срезного элемента, фиксирующего герметизирующую пробку вместе с якорем относительно переводника;
- исключают возможность заклинивания устройства в процессе извлечения из скважины, т. к. зафиксированный относительно корпуса шток остается при этом неподвижным и поэтому не происходит обратного выхода поршня с рабочим органом под действием избыточного давления в рабочей камере.Distinctive features of the device described in this application give it the following new properties:
- they make it possible to punch a pipe in any interval, for which it is necessary to install it at the desired depth by lowering, for example, on a scraper wire using high-performance equipment of cable technology and create a pressure in the punched string that is sufficient to destroy the shear element fixing the sealing plug together with the anchor regarding the sub;
- exclude the possibility of jamming of the device in the process of extraction from the well, since the rod fixed relative to the body remains stationary and therefore the piston does not return with the working body under the action of excessive pressure in the working chamber.

Отмеченные новые свойства, на наш взгляд, позволяют отнести его отличительные признаки в разряд существенных, имеющих изобретательский уровень. The noted new properties, in our opinion, make it possible to attribute its distinguishing features to the category of significant ones having an inventive step.

На фиг. 1 изображен скважинный пробойник, продольный разрез; на фиг. 2 - пробка с якорем в открытом положении; на фиг. 3 - подробное увеличенное изображение узла фиксации. In FIG. 1 shows a downhole punch, a longitudinal section; in FIG. 2 - plug with an anchor in the open position; in FIG. 3 is a detailed enlarged image of the fixing unit.

Пробойник содержит корпус 1 с осевой герметизированной камерой 2 и радиальным каналом 3. Камера 2 и радиальный канал 3 гидравлически связаны с помощью канала 4. В радиальном канале 3 размещен поршень 5 с рабочим органом 6 из твердого материала. Зазор между поршнем и корпусом уплотнен кольцами 7. В камеру 2 подвижно входит шток 8, имеющий уплотнение 9. Шток 8 соединен с полым плунжером 10 посредством срезного элемента (штифта) - 11. Полый плунжер 10 взаимодействует с цилиндром 12 через уплотнительные кольца 13 и делит внутреннюю полость цилиндра 12 на две части - штоковую камеру 14 и рабочую камеру 15. Камера 14 и внутренняя полость плунжера 10 сообщаются через отверстия 16 и таким образом образуют единый резервуар, изолированный от окружающей среды. The punch contains a housing 1 with an axial sealed chamber 2 and a radial channel 3. The chamber 2 and the radial channel 3 are hydraulically connected by a channel 4. In the radial channel 3 there is a piston 5 with a working body 6 of solid material. The gap between the piston and the housing is sealed by rings 7. A rod 8 having a seal 9 is movably inserted into the chamber 2. The rod 8 is connected to the hollow plunger 10 by means of a shear element (pin) 11. The hollow plunger 10 interacts with the cylinder 12 through the sealing rings 13 and divides the inner cavity of the cylinder 12 into two parts - the rod chamber 14 and the working chamber 15. The chamber 14 and the inner cavity of the plunger 10 communicate through the holes 16 and thus form a single reservoir isolated from the environment.

Камера 15 изолирована от окружающей среды посредством пробки 17. Цилиндр 12 пробойника снабжен жестко связанным с ним переводником 18. Внутри переводника 18 установлен с возможностью осевого перемещения якорь 19, жестко связанный с пробкой 17 и в транспортном положении фиксированный к переводнику 18 посредством срезного штифта 20. Переводник 18 связан тросом - скребковой проволокой 21, являющейся частью канатной техники, применяемой для доставки на забой различного оборудования и приборов. В варианте сбрасываемого использования трос 21 отсутствует. Внутренняя полость переводника 18 гидравлически связана с окружающей средой посредством отверстий 22. Эта гидравлическая связь в транспортном положении перекрыта уплотнительным кольцом 23, установленным между пробкой 17 и переводником 18. Труба 24 является частью колонны, в которой необходимо пробить отверстие. На штоке 8 установлен фиксатор 25, выполненный в виде цанги с упругими перьями 26, снабженными буртами 27 для взаимодействия с упором 28 на внутренней поверхности камеры 2. The chamber 15 is isolated from the environment by means of a plug 17. The cylinder 12 of the punch is equipped with a rigidly connected sub 18. Inside the sub 18, an anchor 19 is mounted with the possibility of axial movement and is rigidly connected to the plug 17 and fixed to the sub 18 in the transport position by means of a shear pin 20. The sub 18 is connected by a cable - a scraper wire 21, which is part of the rope equipment used to deliver various equipment and devices to the face. In the discarded use case, cable 21 is missing. The internal cavity of the sub 18 is hydraulically connected to the environment through the openings 22. This hydraulic connection in the transport position is blocked by a sealing ring 23 installed between the plug 17 and the sub 18. The pipe 24 is part of the column in which it is necessary to punch a hole. On the rod 8, a latch 25 is installed, made in the form of a collet with elastic feathers 26 provided with collars 27 for interaction with the stop 28 on the inner surface of the chamber 2.

Пробойник работает следующим образом. The punch works as follows.

Устройство опускается в пробиваемую колонну труб на скребковой проволоке 21 с помощью лебедки канатной техники или свободно сбрасывается. После достижения пробойником необходимой глубины в колонне труб с помощью наземного насоса или технологического внутрискважинного оборудования поднимается гидростатическое давление. Поскольку давление в изолированной рабочей камере 15 равно атмосферному, разность давлений в окружающей среде и в рабочей камере 15, действующая на поперечное сечение пробки 17, нагружает штифт 20 и после срезания последнего якорь 19 вместе с пробкой перемещаются в сторону рабочей камеры 15, открыв туда доступ жидкости из полости пробиваемой трубы 24 через отверстие 22. В результате этого давление столба жидкости в колонне труб начинает действовать на торец плунжера 10. Под этим давлением плунжер 10, связанный со штоком 8 через срезной элемент 11, идет вниз, сжимая воздух в изолированной штоковой камере 14 и вытесняя жидкость из осевой герметизированной камеры 2 под поршень 5. Поршень 5 начинает двигаться в радиальном направлении и внедряет рабочий орган 6 в стенку трубы 24 - происходит пробивка ее стенки. Укажем, что для срыва буртов 27 фиксатора 25 с упора 28 затрачивается некоторая часть силы, действующей от плунжера 10 на шток 8, однако указанное обстоятельство никак не сказывается на величине максимальной нагрузки, развиваемой на поршне 5. Это объясняется тем, что в момент срыва фиксатора 25 шток 8 находится в самом начале своего внедрения в камеру 2, когда рабочий орган 6 проходит зазор между устройством и пробиваемой трубой 24. The device is lowered into the punched pipe string on the scraper wire 21 using a winch of cable technology or is freely reset. After the punch reaches the required depth in the pipe string, the hydrostatic pressure rises with the help of a ground pump or downhole technological equipment. Since the pressure in the isolated working chamber 15 is equal to atmospheric, the pressure difference in the environment and in the working chamber 15, acting on the cross section of the plug 17, loads the pin 20 and after cutting the latter, the armature 19 together with the plug move towards the working chamber 15, making it accessible liquid from the cavity of the punched pipe 24 through the hole 22. As a result, the pressure of the liquid column in the pipe string begins to act on the end of the plunger 10. Under this pressure, the plunger 10 connected to the rod 8 through the shear element 11 t downward, compressing the air in the insulated stock chamber 14 and displacing the fluid from the axial sealed chamber 2 under the piston 5. The piston 5 begins to move in the radial direction and introduces the working body 6 into the pipe wall 24 - its wall is punched. We point out that to break the collars 27 of the latch 25 from the stop 28, a certain part of the force exerted by the plunger 10 on the rod 8 is expended, however, this circumstance does not affect the maximum load developed on the piston 5. This is due to the fact that at the time of the breakdown of the latch 25, the rod 8 is at the very beginning of its introduction into the chamber 2, when the working body 6 passes the gap between the device and the punched pipe 24.

Срезной элемент 11, соединяющий шток 8 с плунжером 10, рассчитан на усилие, необходимое только для пробивки колонны труб. По этой причине после упора бурта штока 8 в торец корпуса 1 указанный элемент (штифт) срезается в процессе дальнейшего перемещения плунжера 10. В результате этого прекращается действие усилия на шток 8. В указанный момент давление воздуха в изолированной штоковой камере 14 составляет только несколько атмосфер (обычно 2 -4 атм. ) и поэтому шток 8 под действием сначала давления в камере 2, а в последующем под действием давления внешней среды, действующей на поршень 5, телескопически входит в полый плунжер 10. При этом фиксатор 25 с буртами 27 становится на упор 28 в камере 2, а поршень 5 выдергивает рабочий орган 6 из пробитого отверстия. Таким образом, обратный ход поршня 5 с рабочим органом 6 открывает отверстие в стенке трубы, чем обеспечивается надежное сообщение полости труб с затрубным пространством. The shear element 11 connecting the rod 8 with the plunger 10 is designed for the force required only for punching the pipe string. For this reason, after stopping the collar of the rod 8 at the end of the housing 1, the indicated element (pin) is cut off during the further movement of the plunger 10. As a result, the force on the rod 8 is terminated. At the indicated moment, the air pressure in the insulated rod chamber 14 is only a few atmospheres ( usually 2 -4 atm.) and therefore, the rod 8 is first exposed to pressure in the chamber 2, and subsequently under the influence of environmental pressure acting on the piston 5, telescopically enters the hollow plunger 10. In this case, the latch 25 with collars 27 becomes a stop 28 in the chamber 2 and the piston 5 pulls the actuator 6 of the punched holes. Thus, the return stroke of the piston 5 with the working body 6 opens a hole in the pipe wall, which ensures reliable communication of the pipe cavity with the annulus.

В процессе подъема устройства из скважины на поверхность на скребковой проволоке 21 или вместе с пробитой колонной внешнее давление, действующее на пробойник, понижается. Когда оно становится меньше, чем давление в штоковой камере 14, сжатый воздух, находящийся в ней, в результате расширения перемещает плунжер 10 в сторону рабочей камеры 15 - при этом смесь воздуха и жидкости из последней вытекает наружу через открытую пробку 17 и отверстия 22 в переводнике 18. Однако свободному расширению сжатого воздуха, содержащегося в штоковой камере 14, препятствуют силы трения между плунжером 10 и цилиндром 12, гидродинамическое трение в пределах переводника 18, а также и вес самого плунжера 10, если устройство, в силу необходимости, спущено в скважину в положении, изображенном в заявке. In the process of lifting the device from the well to the surface on the scraper wire 21 or together with the broken column, the external pressure acting on the punch decreases. When it becomes less than the pressure in the rod chamber 14, the compressed air contained in it, as a result of expansion, moves the plunger 10 towards the working chamber 15 - while the mixture of air and liquid from the latter flows out through the open plug 17 and the holes 22 in the sub 18. However, the free expansion of the compressed air contained in the rod chamber 14 is prevented by the frictional forces between the plunger 10 and the cylinder 12, hydrodynamic friction within the sub 18, and also the weight of the plunger 10 itself, if the device is necessary and lowered into the borehole in the position shown in the application.

Укажем, что в практике эксплуатации пробойников отмечены неоднократные случаи даже полной закупорки каналов в переводнике 18 парафином и другими механическими частицами, содержащимися в продукции скважины. По указанным причинам в штоковой камере 14 в конце подъема устройства обычно воздух остается в несколько сжатом состоянии. Однако в предложенном устройстве благодаря наличию фиксатора 25 указанное избыточное давление не может привести к повторному входу штока 8 в камеру 2, в результате чего поршень 5 с рабочим органом 6 остаются в утопленном состоянии, чем предотвращается заклинивание пробойника в колонне в процессе подъема из труб, или исключаются сложности при его освобождении от поднятой пробитой трубы, если использование устройства производится по сбрасываемому варианту и он извлекается из скважины вместе с колонной труб. Заметим, что благодаря тому, что в процессе пробивки предложенный пробойник не нуждается в опоре, он свободен и от такого недостатка известных пробойников, как перекашивание рабочего органа с поршнем, что иногда приводит к отказам последних. We point out that in the practice of operating punches, repeated cases of even complete blockage of channels in the sub 18 with paraffin and other mechanical particles contained in the production of the well were noted. For these reasons, in the rod chamber 14 at the end of the lift of the device, usually the air remains in a somewhat compressed state. However, in the proposed device, due to the presence of the latch 25, the indicated overpressure cannot lead to the re-entry of the rod 8 into the chamber 2, as a result of which the piston 5 with the working body 6 remain in a recessed state, which prevents jamming of the punch in the column during lifting from the pipes, or complications are excluded when it is released from a raised punched pipe if the device is used according to the discharged version and it is removed from the well together with the pipe string. Note that due to the fact that the proposed punch does not need support in the punching process, it is also free from such a disadvantage of known punch as the warping of the working body with the piston, which sometimes leads to failures of the latter.

Преимущественная область применения описанного пробойника - использование для пробивки одного или нескольких отверстий в любом интервале глубины колонны труб, а также в случаях, когда затраты на манипулирование давлением по глубине пробиваемой колонны не имеют существенного значения в процессе выполнения тех или иных работ в скважинах с привлечением пробойниковых технологий. The preferred field of application of the described punch is the use of one or several holes for punching in any interval of the depth of the pipe string, as well as in cases where the cost of manipulating the pressure along the depth of the pipe being pierced is not significant in the process of performing certain works in the wells involving punch holes technology.

Источники информации
1. Сверлящий перфоратор типа "ППС 112-60", производства HПП "Азимут" при Уфимском государственном нефтяном техническом университете.Sources of information
1. Drilling drill type "PPS 112-60", produced by NPP "Azimut" at the Ufa State Oil Technical University.

2. Патент РФ 2057894. 2. RF patent 2057894.

3. Авторское свидетельство 673724. 3. Copyright certificate 673724.

Claims

A downhole punch for pipes, containing a cylinder and a hollow fluid-filled housing with a side channel, a piston with a working body installed in it, a rod installed in the cavity of the housing and cylinder with the possibility of axial movement, a hollow plunger installed in the cavity of the cylinder connected with a shear stem element and forming a rod and a working chamber in the cylinder, an adapter, in which a channel is made for communication of the working chamber with the environment, a locking element that overlaps the channel of the sub and installed in the translation axically displaceable anchor associated with a shear element sub, characterized in that an elastically deformable element is installed in the body cavity for fixing the rod relative to the body, and the closure element on the sub channel is made in the form of a stopper equipped with a sealing element installed with the possibility of opening into the working chamber and rigidly connected with the anchor.