устройство для гидроперфорации скважины

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГИДРОПЕРФОРАЦИИ СКВАЖИНЫ, включающее полый корпус с боковыми отверстиями, твердосплавные насадки, помещенные в боковых отверстиях, центратор гидравлического действия в виде выдвижных элементов, посадочное седло в нижней части корпуса, выполненное под запорный элемент в виде шара, и поршень, подпружиненный относительно корпуса и помещенный в полости корпуса над центратором, отличающееся тем, что оно снабжено фильтром, помещенным над поршнем,который выполнен глухим, и заглушкой, перекрывающей полостью корпуса под поршнем и образующей в ней камеру, заполненную маслом, а насадки выполнены в виде трубок с тангенциальными входными отверстиями, подпружиненными относительно корпуса и повышенными над поршнем, при этом выдвижные элементы центратора помещены на разные уровни и выполнены в виде подпружиненных относительно корпуса поршней-штоков, надпоршневое пространство которых гидравлически связано с полостью корпуса, который выполнен с периферийными осевыми каналами, сообщающими полость корпуса над поршнем с его полостью под заглушкой.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено срезной втулкой, установленной в корпусе над насадками, а корпус против втулки выполнен с циркуляционными отверстиями.

Описание изобретения к патенту

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

Известно устройство для гидроперфорации скважины, включающее корпус с боковыми отверстиями, установленные в боковых отверстиях твердосплавные насадки, формирующие вращательно-поступательное движение потока жидкости, и генератор импульсов потока жидкости.

Недостатком этого устройства является громоздкость и сложность генератора импульсов потока жидкости, выполненного в виде гидравлического турбинного двигателя, шнека и ротора с отверстиями. А винтовые направляющие канавки в твердосплавных насадках недостаточно эффективно завихряют поток жидкости. Поскольку устройство не предусматривает фиксации корпуса, при создании импульсных движений жидкости под действием реактивной силы потока, меняющего свое направление, а также удлинения и вибрации насосно-компрессорных труб (НКТ) корпус устройства будет менять свое пространственное положение как в продольном, так и поперечном сечениях скважины. Будет образовываться канал большого сечения, на что потребуется больше времени.

Известно также устройство для гидроперфорации скважины, включающее полый корпус с боковыми отверстиями, твердосплавные насадки, помещенные в боковых отверстиях, центратор гидравлического действия в виде выдвижных элементов, посадочное седло в нижней части корпуса, выполненное под запорный элемент в виде шара, и поршень, подпружиненный относительно корпуса и помещенный в полости корпуса над центратором.

Недостатком этого устройства является то, что оно также недостаточно эффективно фиксируется относительно обсадной колонны в начальный период создания перфорационного канала, что в результате вибрации и удлинения НКТ при пульсации потока жидкости в процессе работы поршневых насосов приведет к образованию каналов большого сечения в ущерб их протяженности. Устройство же, кроме выдвижения насадок, не предусматривает других мер по ускорению создания глубоких перфорационных каналов. Поскольку выдвижные элементы работают в абразивной среде, снижается надежность их срабатывания и ухудшается герметичность конструкции. Кроме того, устройство не предупреждает излива перфорационной жидкости на устье в процессе подъема НКТ после перфорации, что ухудшает условия работы персонала, приводит к потерям перфорационной жидкости и ухудшению экологической обстановки.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для гидроперфорации скважины, в отличие от известных, снабжено фильтром, помещенным над поршнем, который выполнен глухим, и заглушкой, перекрывающей полость корпуса под поршнем и образующей в ней камеру, заполненную маслом, а насадки выполнены в виде трубок с тангенциальными входными отверстиями, подпружиненными относительно корпуса и помещенными над поршнем, при этом выдвижные элементы центратора помещены на разные уровни и выполнены в виде подпружиненных относительно корпуса поршней-штоков, надпоршневое пространство которых гидравлически связано с полостью корпуса, который выполнен с периферийными осевыми каналами, сообщающими полость корпуса над поршнем с его полостью под заглушкой.

Кроме того, устройство снабжено срезной втулкой, установленной в корпусе над насадками, а корпус против втулки выполнен с циркуляционными отверстиями.

Цель изобретения улучшение контакта поршней-штоков с перфорируемой обсадной колонной при раздельном выполнении с насадками, снижение коэффициента трения при выдвижении поршней-штоков и предупреждение заклинивания элементов гидравлического центратора, находящихся в защищенной от абразива маслонаполненной среде, повышение надежности фиксации корпуса при пеpфорации; привнесение эффективной составляющей разрушающего воздействия кавитационной эрозии, что вместе с выдвижением насадок позволит существенно повысить скорость образования перфорационных каналов; обеспечение принятия исходного транспортного положения всех перемещающихся деталей; обеспечение самозаполнения и опорожнения устройства и колонны труб, что ускоряет спуско-подъемные операции; повышение герметичности и долговечности конструкции.

На фиг. 1 изображено устройство для гидроперфорации скважины в процессе спуска в скважину; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг.4 устройство в процессе гидроперфорации скважины; на фиг.5 то же, в процессе подъема из скважины.

Устройство для гидроперфорации скважины состоит из корпуса 1 гидромонитора с центральным отверстием 2. По диагонали корпуса выполнены сквозные боковые отверстия 3, в которые установлены с возможностью выдвижения твердосплавные насадки в виде трубок 4 с осевым каналом 5 и тангенциальными входными отверстиями 6 (фиг.2) со стороны заглушенной части 7 трубок 4. При этом трубки 4 снабжены уплотнительными кольцами 8 и подпружинены относительно корпуса 1 пружинами 9. На одном уровне 10 корпуса 1 располагается только одна насадка 4-8. Направление двух (при необходимости) насадок 4-8 в одной плоскости диаметрально противоположное. С противоположных сторон боковые отверстия 3 снабжены крышками 11. Снизу корпус 1 гидромонитора соединен с корпусом 12 центратора гидравлического действия.

В корпусе 12 центратора также выполнены концентричный 13 и радиальные 14 каналы. Причем радиальные каналы 14 выполнены на нескольких уровнях 15 корпуса 12 без углового смещения, то есть друг над другом. Радиальные каналы 14 установлены с возможностью выдвижения поршней-штоков 16 с уплотнительными кольцами 17 и пружинами 18, а также ограничивающие ввертыши 19. Сверху концентричного канала 13 в расширении 20 размещены глухой поршень 21 с уплотнительными кольцами 22, возвратная пружина 23 и фильтр 24. При этом полости концентричного 13 и радиальных 14 каналов образуют камеру и заполнены маслом 25. После заполнения каналов 13, 14 маслом через низ концентричного канала 13, последний перекрывается заглушкой 26. В свободных проемах поперечного сечения корпуса 12 выполнены периферийные сквозные осевые каналы 27, сообщающие полости 28 и 29 соответственно над и под маслонаполненной камерами (каналами 13, 14) (фиг.1,3). Далее корпус 12 гидравлического центратора соединен с корпусом 30 хвостовика, выполненного в виде толстостенного, скошенного под острым углом, патрубка. Внутри корпуса 30 хвостовика установлен прямой клапан из корпуса 31 с посадочным седлом 32 под шар 33, центральным 34 и боковыми отверстиями 35.

Сверху к корпусу 31 прямого клапана крепится крышка 36. Над корпусом 1 гидромонитора установлен циркуляционный клапан из полого корпуса 37 с циркуляционными отверстиями 38. Циркуляционные отверстия 38 перекрыты срезной втулкой 39 с уплотнительными кольцами 40 и посадочным седлом 41 под шар 42. Срезная втулка 39 установлена в исходном положении с возможностью смещения вниз и зафиксирована штифтами 43. Все резьбовые соединения 44, посредством которых соединены корпуса 1, 12, 30, 31 и 37, уплотнены кольцами 45. К корпусу 37 циркуляционного клапана подсоединяются НКТ.

Устройство для гидроперфорации скважины работает следующим образом.

В процессе спуска устройства в скважину на колонне труб скважинная жидкость через центральное отверстие 34, приподнимая шар 33, поступает внутрь корпуса 31 прямого клапана, далее через боковые отверстия 35 попадает в полость 29 под заглушкой 26. Далее через периферийные осевые каналы 27 перетекает в полость 28 над поршнем 21, откуда через центральное отверстие 2 и полый корпус 37 циркуляционного клапана направляется в НКТ. Жидкость дополнительно поступает и через канал 5, отверстия 6 насадок, но значительно меньше из-за большого перепада давления в них, это без вышеописанной системы мер недостаточно, поскольку при медленном самозаполнении НКТ скважинной жидкостью все же потребовалось бы периодическое проведение дополнительных операций по доливу НКТ на устье для предупреждения смятия спускаемых в скважину незаполненных НКТ и снижения выталкивающей силы Архимеда. Поэтому самозаполнение скважинной жидкостью должно происходить настолько быстро, чтобы не допустить излишние потери времени в процессе спуска НКТ с устройством в скважину, что и предусмотрено.

В процессе перфорации скважины насосными агрегатами восстанавливают циркуляцию перфорационной жидкости. При этом шар 33 плотно садится на седло 32 прямого клапана, давление внутри устройства повышается. С повышением давления поршень 21, сжимая пружину 23, опускается и повышает давление в маслонаполненной камере (каналах 13, 14) центратора, в результате поршни-штоки 16, сжимая пружины 18, выдвигаются из радиальных каналов 14 до соприкосновения со стенками скважины. Таким образом происходят центрирование и жесткая фиксация устройства в стволе скважины. Одновременно с этим в результате повышения давления внутри устройства, сжимая пружины 9, выдвигаются и твердосплавные насадки 4-8 до соприкосновения со стенками обсадной колонны. В свою очередь перфорационная жидкость через тангенциальные отверстия 6 поступает внутрь осевых каналов 5 трубок 4, где приобретает вращательно-поступательное движение. Сильное вращательное движение потока жидкости способствует тому, что в осевой зоне трубок 4 образуется область разрежения вихревого потока, заполненная парогазовой фазой (кавитационными полостями). Вращательное движение неоднородной среды становится неустойчивым. На выходе жидкости из трубок 4 (в области повышенного давления) происходит схлопывание кавитационных полостей.

Частицы жидкости устремляются к центру пузырьков, заполненных воздухом или парами жидкости. При этом на поверхности обсадной колонны создаются очень высокие местные напряжения, что приводит, в дополнение к абразивному разрушению, и к кавитационной эрозии обсадной колонны, а в дальнейшем и горной породы. При схлопывании кавитационных полостей генерируются пульсации давления ультразвуковой частоты. Импульсный вращающийся поток перфорационной жидкости, выходящий из насадок 4-8, при встрече с преградой разрушаемой поверхностью практически не теряет угловой скорости вращения и под действием центробежных сил вихревые импульсные потоки, расходящиеся параллельно поверхности обсадной колонны, где также давление жидкости падает ниже давления насыщенных паров, образуются пузырьки с парогазовой фазой. В результате имплозии происходит быстрое разрушение поверхности обсадной колонны, причем на большом участке. Импульсы давления ультразвуковой частоты, возникшие при выходе вихревых потоков из насадок, накладываются на импульсы давления, генерируемые в центробежном потоке, что приводит к расширению диапазона импульсов давления ультразвукового поля. Пульсирующий вихревой поток одновременно повысит эффективность абразивного разрушения даже в том случае, когда насадки выдвинутся из корпуса 1 настолько, что уже не будет контакта их торцевых частей с разрушаемой горной породой. Дальнейшее образование перфорационного канала будет происходить в основном за счет импульсного абразивного и гидромониторного разрушения горной породы.

После создания перфорационных каналов насосные агрегаты останавливают, давление внутри устройства падает, в результате насадки 4-8 пружинами 9 задвигаются внутрь корпуса 1, а поршень 21 пружиной 23 приподнимается. Давление в маслонаполненной камере (каналах 13, 14) также снижается, и поршни-штоки 16 пружинами 18 возвращаются внутрь корпуса 12 центратора. Производят установку устройства на новую отметку, и процесс повторяется. После перфорации всего интервала в НКТ бросают шар 42, который садится на седло 41 срезной втулки 39. Повышают давление в НКТ, срезаются штифты 43, и втулка 39 смещается вниз, открывая циркуляционные отверстия 38, что фиксируется резким спадом давления (фиг.5). Начинают подъем НКТ. В процессе подъема устройства перфорационная жидкость свободно перетекает через циркуляционные отверстия 38 устройства из трубного пространства НКТ в затрубное, что предупреждает ее перелив при отвороте очередной трубы на устье. Насадки 4-8 и поршни-штоки 16 задвинуты в корпуса 1 и 12, как при спуске устройства в скважину, а прямой клапан 31-36 закрыт, как при гидроперфорации.

Эффективность применения предлагаемого устройства для гидроперфорации скважины заключается в обеспечении технологичности и ускорении спуско-подъемных операций, а также ускорении образования и увеличении входного сечения перфорационных каналов за счет создания мощной местной кавитационной эрозии и импульсного потока абразивной (малоабразивной) жидкости при точечной гидроперфорации.