ИМПУЛЬСНЫЙ ГИДРОПЕРФОРАТОР Российский патент 1996 года по МПК E21B43/114 

Изобретение относится к горной промышленности, в частности к устройствам для вторичного вскрытия продуктивных пластов и их перестрела перед и после изоляционных работ в нефтяных и газовых скважинах.

Известен импульсный гидроперфоратор, включающий корпус с продольным каналом, боковые отверстия в корпусе, сопла, размещенные в боковых отверстиях, и элемент открытия-закрытия боковых отверстий генератора импульсов давлений.

Недостатком этого гидроперфоратора, формирующего прерывистые струи, является сложная конструкция генератора импульсов давления с множеством перемещающихся относительно друг друга деталей с отверстиями и каналами в них, что, учитывая абразивную среду, в которой они работают, снижает надежность. Кроме того, импульсы давления, создаваемые перфоратором, накладываясь на пульсации давления, вызванные поршневыми насосами, оказывают повышенные нагрузки на насосно-компрессорные трубы /НКТ/ и могут достигнуть критических, а импульсные реактивные силы истечения прерывистых струй из сопл вызовут дополнительное поперечное биение гидроперфоратора в скважине и вместе будут способствовать увеличению площади сечения перфорационных каналов в ущерб их протяженности.

Наиболее близким является импульсный гидроперфоратор, включающий гидромониторный корпус с продольным каналом, вал, размещенный в корпусе, элемент открытия-закрытия боковых отверстий корпуса и сопла, помещенные в боковых отверстиях.

Недостатком этого импульсного гидроперфоратора является сложность и громоздкость конструкции привода генератора импульсов давления. Генератор импульсов давления формирует короткие струи в момент совмещения отверстия в роторе с боковыми отверстиями корпуса, то есть очень малый сектор по сравнению с полным оборотом ротора, поэтому мало и время воздействия на разрушаемую горную породу. Импульсный гидроперфоратор также не предусматривает механизмов его центровки и фиксации относительно обсадной колонны, что уменьшает скорости создания перфорационных каналов в глубину, и механизма защиты НКТ от чрезмерных вибрационных нагрузок.

Сущность изобретения заключается в том, что импульсный гидроперфоратор снабжен резиновым амортизатором, размещенным над гидромониторным корпусом, и гидравлическим фиксатором-центратором с выдвижными штоками, размещенным под гидромониторным корпусом, который выполнен с радиальным каналом в плоскости, перпендикулярной плоскости боковых отверстий и перекрыт крышками с подшипниками и тангенциально сообщается в средней части с продольным каналом, имеющим выход в нижней части корпуса по концам радиального канала, а вал размещен в крышках радиального канала и выполнен с односторонним стержневым приливом в средней части, длиной, соответствующей радиусу радиального канала и площадью торцевой части, не меньшей просвета боковых отверстий.

Кроме того, амортизатор выполнен из верхнего упора, двухступенчатой втулки и соответствующей ее меньшей ступени патрубка, помещенного внутри двухступенчатой втулки с возможностью осевого перемещения и имеющего уступ в средней части, выше которого до верхнего упора и ниже которого размещены резиновые элементы прямоугольного сечения.

А также гидравлический фиксатор-центратор выполнен в виде гидроцилиндров, размещенных на разных уровнях и во взаимоперпендикулярных плоскостях, при этом в каждом гидроцилиндре размещено по два подпружиненных штока.

Технический результат выражается в упрощении конструкции генератора импульсов давления, повышении эффективности перфорации путем создания углубленных перфорационных каналов за счет увеличения времени воздействия зафиксированной прерывистой струи, а также улучшении условий работы скважинного оборудования при гашении вертикальных вибраций.

На фиг. 1 изображен общий вид импульсного гидроперфоратора в исходном положении; на фиг. 2 то же в рабочем положении; на фиг. 3 показано сечение А-А на фиг. 2 в момент перекрытия односторонним стержневым приливом бокового отверстия; на фиг.4- сечение Б-Б на фиг. 2; на фиг. 5 сечение В-В на фиг. 2.

Импульсный гидроперфоратор состоит снизу вверх из гидравлического фиксатора-центратора, одинаковых гидромониторных секций и резинового амортизатора. Фиксатор-центратор включает корпус 1, который на разных уровнях и во взаимоперпендикулярных плоскостях имеет гидроцилиндры 2. В каждом гидроцилиндре 2 размещено по два противоположно направленных штока 3 с пружинами 4 и две упорные втулки 5 с уплотнениями 6. В корпусе 1 также выполнен осевой канал 7, перекрытый сверху эластичным стаканом 8, а снизу - пробкой 9. При этом гидравлически связанные осевой канал 7 и гидроцилиндры 2 заполнены маслом 10. Гидромониторные секции включают корпус 11, в котором выполнен радиальный канал 12 круглого сечения, а в плоскости, перпендикулярной радиальному каналу 12, в корпусе 11 выполнены в диагонально противоположных сторонах боковые отверстия 13. В боковые отверстия 13 ввернуты сопла /насадкодержатели 14 с твердосплавными насадками 15 и упорным разъемным кольцом 16/. Радиальный канал 12 с двух сторон перекрыт крышками 17, а внутри радиального канала 12 помещен вал 18, вращающийся на подшипниках 19, размещенных в крышках 17.

Вал 18 имеет в средней части односторонний прилив 20 в виде стержня с площадью торцевой части 21 не меньшей просвета боковых отверстий 13 под сопла 14-16 и длиной, соответствующей радиусу радиального канала 12. В верхней части корпуса 11 выполнен тангенциально входной продольный канал 22 в среднюю часть радиального канала 12, а в нижней части корпуса 11 выполнены по концам радиального канала 12 выходные продольные каналы 23. При этом оси двух боковых отверстий 13 могут быть смещены относительно горизонтальной плоскости на угол α в сторону, совпадающую с направлением входного тангенциального канала 22, а в цилиндрическом корпусе 11 выфрезерованы скошенные пазы 24. Амортизатор включает двухступенчатую втулку 25 и концентрично расположенный в нем с возможностью осевого перемещения, патрубок 26, выполненный с кольцевым уступом 27 в средней части, причем диаметр патрубка 26 соответствует меньшей ступени втулки 25. Между патрубком 26 и двухступенчатой втулкой 25 как ниже, так и выше кольцевого уступа 27 размещены резиновые элементы 28 прямоугольного сечении меньшего объема. Верхний резиновый элемент удерживается верхним торцевым упором 29 двухступенчатой втулки 25. Корпус 1 фиксатора-центратора, корпусы 11 гидромониторов и двухступенчатая втулка 25 амортизатора соединены между собой резьбами 30 и уплотнены резиновыми кольцами 31. Количество гидромониторных секций выбирают исходя из режимно-технологических параметров и при соединении, например, двух секций их подбирают таким образом, чтобы направление насадок 15 разных секций находилось в перпендикулярных плоскостях. Для подсоединения импульсного гидроперфоратора к НКТ вверху патрубка 26 выполнена трубная резьба 32.

Импульсный гидроперфоратор работает следующим образом. Прокачиваемая насосными агрегатами по НКТ перфорационная жидкость по тангенциальному каналу 22 поступает в радиальный канал 12, где приобретает ускоренное вращательное движение, увлекая за собой односторонний стержневой прилив 20, который также вместе с валом 18 начинает вращаться, при этом попеременно закрывает то одно, то другое боковое отверстие 13, в результате из насадок 15 истекают прерывистые струи. Другая часть перфорационной жидкости от средней части радиального канала 12 раздваивается в обе стороны и по выходным продольным каналам 23 направляется к нижестоящей гидромониторной секции и от нее дальше к фиксатору-центратору. С повышением давления насосными агрегатами в полости над эластичным стаканом 8, последний сжимается и выдавливает масло 10 внутрь осевого канала 7 и гидроцилиндры 2, при этом штоки 3, сжимая пружины 4, выдвигаются наружу до соприкосновения с обсадной колонной. Происходит жесткая фиксация и устойчивая во всех плоскостях и сечениях центрация импульсного гидроперфоратора относительно обсадной колонны. С повышением давления также увеличиваются пульсации давления поршневых наземных насосов цементировочных агрегатов и пульсации давления, вызванные гидромониторными узлами перфоратора. В этом случае амплитуда упругих волн, распространяющихся от импульсного гидровибратора по металлу НКТ частично снижается амортизатором, резиновые элементы 28 которого, демпфируя, уменьшают передачу силовых импульсов, возникающих вдоль оси.

Процесс создания перфорационных каналов идет в следующей последовательности. В начальный момент открытия бокового отверстия 13 стержневым приливом 20 происходит "выстреливание" струи жидкости из насадка 15, как за счет разности давления внутриколонном и заколонном пространствах НКТ, так и в результате усиленного вращающегося потока внутри радиального канала 13, созданного входным тангенциальным продольным каналом 22, а значит высоких центробежных сил, в этом случае наклонное расположение бокового отверстия 13 по отношению к горизонтали под углом a, совпадающее с направлением тангенциального канала 22, может усилить эффект, так как в меньшей степени оказывает сопротивление центробежному потоку, причем чем больше угол смещения, тем меньше сопротивления. Происходит мощный гидравлический удар о поверхность обсадной колонны или горной породы. При этом отраженные от обсадной колонны струи смещаются в сторону /соответственно ниже и выше/ от насадкодержателя 14 и его резьбового соединения с корпусом 11, тем самым уменьшая их абразивный износ в ответственном месте перфоратора. Возвратные же потоки в перфорационном канале еще не успевают сформироваться и поэтому короткая струя практически без потерь кинетической энергии достигает передовой рубеж перфорационного канала. Под воздействием высокого давления струи напряжения в горной породе достигают и превышают предельные, вызывая разрушение. Затем возникает радиальное течение жидкости, параллельное поверхности, и давление в точке удара падает до давления торможения несжимаемых сред. При этом происходит разрушение обсадной колонны и горной породы струей, содержащей твердые частицы, обусловленное эрозионным воздействием. Наклонное направление сопл 14-16 к обсадной колонне дополнительно усиливает абразивное действие струи. В процессе оборота стержневого прилива 20 перфорационная жидкость устремляется в боковое отверстие 13 также за счет двух составляющих это перепада давления внутритрубном и затрубном пространствах, а также центробежных сил вращающегося в радиальном канале 12 потока, что естественно повышает ее скорость и давление в точке удара. Далее вращающийся стержневой прилив 20 на мгновение перекрывает боковое отверстие 13 и процесс повторяется. Поскольку импульсный гидроперфоратор строго отцентрирован и жестко зафиксирован относительно обсадной колонны основные прерывистые струи, истекающие из насадков 15 ударяют в одну и ту же точку, что позволяет не растрачивать энергию на образование новой поверхности разрушения в стороне от основного канала. А если одну из насадок 15 двух взаимопротивоположных сопл 14-16 направить вниз, а другую вверх, то созданием углубленного перфорационного канала одновременно можно повысить степень вертикального вскрытия продуктивного пласта. Причем, чем больше угол a и глубина перфорационного канала, тем больше совершенство вскрытия пласта по мощности.

После определенного периода времени, идущего на создание перфорационных каналов, циркуляцию останавливают, при этом вал 18 с односторонним стержневым приливом 20 перестает вращаться, давление во внутритрубном пространстве стравливается одновременно через все сопла 14-16, в результате эластичный стакан 8 распрямляется, а пружины 4 задвигают штоки 3 внутрь гидроцилиндров 2 корпуса 1. Импульсный гидроперфоратор переносят на новую отметку и процесс импульсной гидроперфорации повторяют или поднимают на поверхность.

Предлагаемый импульсный гидроперфоратор отличается простой конструкцией генератора импульсов давления; надежной и эффективной работой, позволяющей увеличить время воздействия прерывистой струи на поверхность разрушения, а значит увеличить глубину перфорационных каналов; он защищен от поломок, вызываемых вибрационными нагрузками; обеспечивает надежную центровку корпуса во всех плоскостях. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: при вскрытии продуктивных горизонтов нефтяных, газовых и водозаборных скважин. Обеспечивает надежную безаварийную работу и создание углубленных, в том числе и наклонных, перфорационных каналов. Сущность изобретения устройство включает гидравлический фиксатор -центратор с выдвижными штоками и гидроцилиндры. Последние помещены в диаметрально противоположных сторонах и во взаимоперпендикулярных плоскостях на разных уровнях.

Устройство включает также гидромониторные секции с радиальным каналом в корпусе, входным тангенциальным продольным каналом в него и выходящими по концам радиального канала продольными каналами. Радиальный канал перекрыт крышками с подшипниками. В них размещен вал с односторонним стержневым приливом в средней части. Стержневой прилив торцевой частью полностью перекрывает просветы диаметрально противоположных боковых отверстий. В них помещены сопла. Сверху установлен амортизатор с резиновыми элементами прямоугольного сечения. Они разделены кольцевым уступом патрубка, помещенного в двухступенчатой втулке с возможностью осевого перемещения. Они удерживаются верхним упором 29. 5 ил.

1. Импульсный гидроперфоратор, включающий гидромониторный корпус с продольным каналом, вал, размещенный в корпусе, элемент открытия-закрытия боковых отверстий корпуса и сопла, помещенные в боковых отверстиях, отличающийся тем, что он снабжен резиновым амортизатором, размещенным над гидромониторным корпусом, и гидравлическим фиксатором центратором с выдвижными штоками, размещенными под гидромониторным корпусом, который выполнен с радиальным каналом в плоскости, перпендикулярной плоскости боковых отверстий, перекрыт крышками с подшипниками и тангенциально сообщается в средней части с продольным каналом, имеющим выход в нижней части корпуса по концам радиального канала, а вал размещен в крышках радиального канала и выполнен с односторонним стержневым приливом в средней части длиной, соответствующей радиусу радиального канала и площадью торцевой части, не меньшей просвета боковых отверстий. 2. Гидроперфоратор по п.1, отличающийся тем, что амортизатор выполнен из верхнего упора, двухступенчатой втулки и соответствующей ей меньшей ступени патрубка, помещенного внутри двухступенчатой втулки с возможностью осевого перемещения и имеющего уступ в средней части, выше которого до верхнего упора и ниже которого размещены резиновые элементы прямоугольного сечения. 3. Гидроперфоратор по п.1, отличающийся тем, что гидравлический фиксатор-центратор выполнен в виде гидроцилиндров, размещенных на разных уровнях и во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом в каждом гидроцилиндре размещено по два подпружиненных штока.