ГИДРОПЕРФОРАТОР Российский патент 1995 года по МПК E21B43/114 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к строительству, освоению, эксплуатации и ремонту скважин, а именно к устройствам для создания каналов в обсадной колонне и горной породе.

Известен гидроперфоратор, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, конусообразные насадки с винтовыми канавками, формирующими вращательно-поступательное движение струи жидкости, и генератор гидравлических импульсов давления.

Недостатком известного гидроперфоратора является то, что в насадках с винтовыми канавками на их внутренней поверхности осевого канала теряется скорость потока и уменьшается дальнобойность струй. Кроме того, возникают сложности изготовления винтовых канавок. Генератор гидравлических импульсов давления, позволяющий компенсировать снижение дальнобойности завихряющих насадок, имеет также громоздкую и сложную конструкцию. Но и в результате пульсаций давления и реактивных сил истечения жидкости из насадок низ гидроперфоратора подвержен интенсивной поперечной и продольной вибрации. Поэтому усиливается абразивный износ корпуса отраженными струями при близком расположении среза насадок к обсадной колонне и уменьшается разрушающее действие струй при удалении от разрушаемой поверхности из-за поперечных биений. В результате комплекса продольных и поперечных вибраций будет образовываться канал эллипсообразного сечения большой площади, а создание перфорационного канала необходимой длины с таким сечением повлечет увеличение продолжительности операции по гидравлической резке.

Известен также гидроперфоратор, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, насадки с осевыми конусообразными каналами, помещенные в боковых отверстиях, гидравлический фиксатор корпуса с выдвижными элементами, заглушку в нижней части корпуса и подпружиненный относительно корпуса поршень, помещенный в осевом канале над заглушкой.

Недостатком этого гидроперфоратора является то, что он подвержен усиленному абразивному износу отраженными струями жидкости и недостаточно эффективно крепится на перфорируемой обсадной колонне, что сказывается на уменьшении длины перфорационных каналов. Гидроперфоратор недолговечен и ненадежен при работе в абразивной среде.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом техническом решении насадки выполнены с твердосплавными вкладышами в виде тела, образованного из основного конуса с винтовыми канавками по боковой поверхности и обратного конуса, сопряженных основаниями, а корпус имеет ограничитель перемещения поршня и под насадками выполнен со сквозными по сечению каналами в двух плоскостях, при этом выдвижные элементы выполнены в виде подпружиненных относительно корпуса штоков, размещенных в сквозных каналах с возможностью их перемещения в противоположные стороны, и пробок фиксирующих штоки в сквозных каналах, а поршень и заглушка выполнены глухими и образуют в полости корпуса камеру, которая заполнена маслом.

Технический результат выражается в создании гидравлического экрана для отраженных от обсадной колонны струй перфорационной жидкости, разделение функций элементов устройства и в результате более эффективной центровки и фиксации корпуса гидроперфоратора в перфорируемой обсадной колонне, создания благоприятных условий работы элементов фиксатора в масляной ванне, т.е. огражденной от абразива среде, и повышении герметичности; упрощении конструкции генератора ультразвуковых импульсов давления.

На фиг. 1 изображен разрез гидроперфоратора в транспортном положении; на фиг. 2 сечение А-А на фиг. 1; на фиг. 3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг. 4 гидроперфоратор в процессе гидравлической резки.

Гидроперфоратор состоит из полого корпуса 1 верхней секции с пазами 2 под боковые отверстия 3, в которые ввернуты держатели 4 насадок. Внутри держателей 4 помещены твердосплавные вкладыши 5, выполненные в форме тела с основным 6 и обратным 7 конусами, сопряженных основаниями, причем на боковой поверхности основного конуса 6 выполнены многозаходные винтовые канавки 8. По осевой линии вкладышей 5 выполнены конусообразные осевые каналы 9. Кроме того, в держателях 4 на некотором удалении от вкладышей 5 выполнены проточки 10 под разрезные пружинные кольца 11, предупреждающие выпадение вкладышей 5 из держателей 4. Корпус 1 верхней секции посредством резьбового соединения 12, уплотненного резиновыми кольцами 13, соединен с корпусом 14 гидравлического фиксатора. Корпус 14 фиксатора может быть выполнен круглого сечения или, например для повышения технологичности изготовления, четырехгранным с осевым каналом 15. В стенках корпуса 14 на каждом ярусе 16 перпендикулярно его осевой линии выполнены сквозные по сечению каналы, одно из которых 17 под подпружиненные возвратной пружиной 18 выдвижные элементы, выполненные в виде штоков 19 с уплотнительными кольцами, а на противоположной стенке корпуса 14 несколько больше размеров торцевых уступов 21 штоков 19 канал 22 под пробку 23 с уплотнительными кольцами 24, фиксирующую шток 19. Две плоскости, в которых расположены по два штока 19, направленные в противоположные стороны, параллельны граням корпуса 14 и пересекаются в его осевой линии. В осевом канале 15 внизу ввернута заглушка 25 с уплотнениями 26, при этом образуется камера, которая заполнена маслом 27, и в верхней расширенной части 28 камеры установлены пружина 29, глухой поршень 30 и ограничитель его перемещения вверх, выполненный в виде кольцевого ввертыша 31, сохраняющего гидравлическую связь поршня 30 с полостью корпуса 1.

Гидроперфоратор работает следующим образом.

После спуска гидроперфоратора на насосно-компрессорных трубах (НКТ) до необходимой отметки, насосными агрегатами восстанавливают циркуляцию перфорационной жидкости в скважине. С повышением давления поршень 30, сжимая пружину 29, повышает давление масла 27 в камере гидравлического фиксатора, в результате этого штока 19, сжимая пружины 18, выдвигаются до соприкосновения со стенками обсадной колонны. Тем самым предупреждаются продольные и поперечные перемещения гидроперфоратора в стволе скважины из-за удлинения НКТ с повышением давления, вибраций при пульсации давления, создаваемых поршневыми насосами цементировочных агрегатов, и реактивных сил истечения жидкости. Это позволит создать точечный перфорационный канал. В свою очередь перфорационная жидкость направляется к насадкам, где разделяется на два потока. Поступательный поток жидкости формируется в осевых конусообразных каналах 9 вкладышей 5. Второй вращательно-поступательный поток жидкости формируется в полостях винтовых канавок 8 между вкладышами 5 и держателями 4 насадок. На выходе из насадок вращательно-поступательный поток, вначале приближаясь, а затем стремительно удаляясь от осевой вращения, создает кольцевую полость (каверну) разряжения между двумя потоками, которая периодически схлопывается, при этом генерируются пульсации давления ультразвуковой частоты. Упругие колебания разрушаемой обсадной колонны усиливают ультразвуковое поле. Одновременно отраженные струи жидкости от разрушаемой поверхности вначале напpавляются навстречу основному потоку, затем под действием центробежных сил вращательно-поступательного потока преломляются и, изменяя свое направление, удаляются от зоны разрушения пульсирующим потоком, движущимся параллельно поверхности обсадной колонны. Это позволяет в первую очередь снизить абразивное разрушение корпуса 1 и держателей 4 насадок отраженными струями, а значит максимально приблизить срез насадок к поверхности разрушения, что уже позволяет более полно использовать кинетическую энергию основного поступательного потока жидкости и ускорить образование перфорационного канала. К тому же, создание пульсирующего поступательного потока позволит повысить его дальнобойность при положительном скачке давления и улучшить условия выхода отработанной перфорационной жидкости из перфорационного канала при отрицательном скачке давления, а вместе увеличить за один и тот же период времени глубину перфорационного канала в горной породе. Кроме того, при пульсации преломленного отраженного потока, движущегося параллельно поверхности обсадной колонны, создаются условия для образования кавитационных пузырьков с парогазовой фазой, при схлопывании которых на поверхности обсадной колонны возникнут высокие местные напряжения, что приведет к кавитационной эрозии, в результате чего площадь входного сечения точечного перфорационного канала увеличится. Последнее, в свою очередь, благоприятно скажется на улучшении условий выхода отработанного потока жидкости из перфорационных грушевидных каналов за счет уменьшения местных гидравлических сопротивлений в наиболее узкой его части (в обсадной колонне). Помимо всего прочего ультразвуковые поля, создающиеся как на выходе насадок (вихревых генераторов импульсов давления), так и на поверхности обсадной колонны при истечении параллельного потока жидкости, будут накладываться друг на друга и в определенные моменты и режимы работы входить в резонансное усилие, что только повысит эффективность вихревой гидроперфорации. По истечении определенного периода времени, идущего на создание перфорационного канала, насосные агрегаты останавливают, давление в НКТ и гидроперфораторе падает. Возвратные пружины 29, 18 соответственно приподнимают глухой поршень 30 до ограничительного ввертыша 31 и задвигают шток 19 внутрь корпуса 14 гидравлического фиксатора. После этого гидроперфоратор устанавливают на новую отметку и процесс повторяется.

Эффективность гидроперфоратора заключается в повышении долговечности и надежности его работы, как за счет снижения абразивного износа отраженными струями жидкости, так и путем улучшения условий работы его механизмов в защищенной от абразива маслонаполненной полости. Важным моментом является и то, что конструкция позволяет максимально приблизить насадки к разрушаемой поверхности, создать пульсации давления ультразвуковой частоты, способствует кавитационной эрозии обсадной колонны и обеспечивает формирование точечного канала, что в комплексе существенно ускорит процесс образования и увеличит размеры точечных перфорационных каналов. Гидроперфоратор технологичен и прост в изготовлении.

Использование: при вторичном вскрытии продуктивных пластов и создании отверстий в обсадной колонне для проведения ремонтно-изоляционных работ в скважинах. Обеспечивает надежное центрирование и фиксирование корпуса в обсадной колонне, герметичность и долговечность работы элементов маслонаполненного фиксатора в абразивной, химически агрессивной и высокотемпературной средах, предупреждает усиленный абразивный износ отраженными струями перфорационной жидкости, ускоряет процесс образования глубоких перфорационных каналов с увеличенным входным сечением отверстия в обсадной колонне. Сущность изобретения: гидроперфоратор состоит из двух соединенных секций. Верхняя секция включает полый корпус, боковые стенки которого выполнены с насечками. Они выполнены в виде держателей. В них установлены твердосплавные вкладыши в форме основного и обратного конусов. На боковой поверхности основного конуса дополнительно выполнены винтовые канавки. По осевой вкладышей выполнены каналы. На некотором удалении от вкладышей внутри держателей помещены разрезные кольца. Фиксатор включает корпус с осевым каналом и сквозными каналами на четырех ярусах. В сквозные отверстия установлены подпружиненные штоки и пробки. В осевом канале снизу установлена заглушка. Сверху установлен подпружиненный глухой поршень. Образованная при этом камера заполнена маслом. 4 ил.

ГИДРОПЕРФОРАТОР, включающий полый корпус с боковыми отверстиями, насадки с осевыми конусообразными каналами, помещенные в боковых отверстиях, гидравлический фиксатор корпуса с выдвижными элементами, заглушку в нижней части корпуса и подпружиненный относительно корпуса поршень, помещенный в осевом канале над заглушкой, отличающийся тем, что насадки выполнены с твердосплавными вкладышами в виде тела, образованного из основного конуса с винтовыми канавками по боковой поверхности и обратного конуса, сопряженных основаниями, а корпус имеет ограничитель перемещения поршня и под насадками выполнен со сквозными по сечению каналами в двух плоскостях, при этом выдвижные элементы выполнены в виде подпружиненных относительно корпуса штоков, размещенных в сквозных каналах с возможностью их перемещения в противоположные стороны, и пробок, фиксирующих штоки в сквозных каналах, а поршень и заглушка выполнены глухими и образуют в полости корпуса камеру, которая заполнена маслом.