устройство для перфорации скважин

Формула изобретения

1. Устройство для перфорации скважин, включающее корпус, внутри которого размещен источник рабочего тела в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами и сопловой блок с соплами в количестве не менее 3 в одном горизонтальном сечении, отличающееся тем, что сопловой блок размещен между двумя расположенными друг к другу поверхностями горения источниками рабочего тела, выполненными в виде цилиндров, бронированных по боковой поверхности и торцу, обращенному к корпусу устройства, а сопла соплового блока герметично заглушены пробками, выполненными из твердого топлива с возможностью их сгорания при достижении давления в результате горения источников рабочего тела, обеспечивающего рабочие параметры струи продуктов сгорания из сопел.

2. Устройство для перфорации скважин по п.1, отличающееся тем, что герметизирующие пробки сопел выполнены толщиной не менее 10 мм.

3. Устройство для перфорации скважин по п.1, отличающееся тем, что рабочее тело выполнено в виде двух цилиндров, бронированных по торцам и снабженных по оси симметрии каналами, диаметр которых определяется из условия

где D_k -диаметр каналов,

D_t -диаметр зарядов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области разработок, применяемых в нефтяной и газовой промышленности, а именно к устройствам для перфорации обсадных труб в скважине, а также к оборудованию для вскрытия продуктивных пластов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является перфоратор, работа которого основана на воздействии на материалы высокотемпературной сверхзвуковой струи продуктов сгорания твердого топлива, содержащего окислы металлов (1). Эффективность работы подобного перфоратора зависит от содержания абразивных частиц в струе продуктов сгорания, попадающей через сопловой блок на стенки обсадной трубы, затрубного цементного камня и породы (2, 3), а также давления в камере сгорания, определяющего скорость гетерогенной струи. Размеры обсадной трубы ограничивают параметры устройства (диаметр и вес рабочего тела), а следовательно, и конструкцию устройства, обеспечивающую максимальную эффективность работы. Сопла соплового блока расположены в горизонтальном сечении на образующей боковой поверхности соплового блока вследствие ограниченного размерами обсадной трубы внешнего диаметра устройства.

Основным недостатком устройства (1) является то, что при подобной компоновке элементов устройства в сопловом блоке часть твердых продуктов сгорания, движущихся от горящей поверхности к соплам, оседает на стенке соплового блока, расположенной параллельно горящей поверхности образца. Вследствие этого струя газообразных продуктов сгорания при выходе из сопла содержит по сделанным оценкам на (20-25) вес.% меньше конденсированной фазы, что приводит, по данным (4), к снижению скорости перфорации в 2-3 раза. Кроме того, диапазон регулирования скорости сгорания твердого топлива и газовыделения в результате реакции горения твердого топлива, определяющийся поверхностью горения (а следовательно, диаметром заряда), существенно ограничен внешним диаметром устройства.

Задачей изобретения является повышение эффективности работы устройства, достигаемой регулированием газовыделения за счет изменения поверхности горения и снижения осаждения конденсированных продуктов сгорания на стенках соплового блока.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, включающем корпус, внутри которого размещен источник рабочего тела в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами и сопловой блок с соплами в количестве не менее 3-х в одном горизонтальном сечении, сопловой блок размещен между двумя расположенными друг к другу поверхностями горения источниками рабочего тела, выполненными в виде цилиндров, бронированных по боковой поверхности и торцу, обращенному к корпусу устройства, а сопла соплового блока герметично заглушены пробками, выполненными из твердого топлива с возможностью их сгорания при достижении давления в результате горения источников рабочего тела, обеспечивающего рабочие параметры струи продуктов сгорания из сопел.

Для создания давления в камере сгорания, обеспечивающего заданные (рабочие) параметры гетерогенной струи (скорость и температура газа и частиц), сопла соплового блока герметично заглушены пробками, выполненными из унитарного твердого топлива, толщиной не менее 10 мм.

На основании экспериментально полученных осциллограмм давления в камере сгорания (3) сделана оценка времени достижения рабочего значения давления в камере сгорания, обеспечивающего заданные параметры гетерогенной струи. Время составляет 0,4-0,5 с. По значениям линейной скорости горения твердых топлив, используемых в качестве пробок для соплового блока, и экспериментально определенного времени достижения заданного давления в камере сгорания, рассчитаны толщины пробок, составляющие величину не менее 10 мм.

Применение двух раздельных зарядов, расположенных друг к другу поверхностями горения, практически исключает осаждение конденсированных продуктов сгорания на стенки соплового блока, увеличивая эффективность работы устройства.

Рабочее тело в виде двух цилиндров, бронированных по торцам, может быть снабжено по оси продольными каналами, диаметр которых определен из условия

где D_k - диаметр каналов;

D_T - диаметр источников рабочего тела.

При величине отношения величина свода канального заряда, определяемая как (D_k -D_T)/2 (5), является недостаточной для горения топлива с известной линейной скоростью при рабочем давлении в камере в течение отрезка времени, необходимого для реализации процесса перфорации.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена общая схема конструкции устройства с цилиндрическими источниками рабочего тела; на фиг.2 – сечение А-А; на Фиг.3 - общая схема конструкции устройства с источниками рабочего тела, снабженными по оси каналами; на фиг.4 – сечение В-В.

Устройство (фиг.1) представляет собой цилиндрический корпус 1 с двумя источниками рабочего тела 2 в виде набора зарядов твердого топлива с различными абразивными частицами, выполненными в виде цилиндров, бронированных 3 по боковой поверхности и торцу, обращенному к корпусу устройства; соплового блока 4, размещенного между источниками рабочего тела. Сопла соплового блока 5 герметично заглушены пробками 6, выполненными из твердого топлива. Воспламенитель 7 включает в себя штатный порох и стандартный электрокапсюльный воспламенитель.

Устройство работает следующим образом. Воспламенителем 7 производится поджиг источников рабочего тела 2, при сгорании твердого топлива газообразные продукты, содержащие частицы металла, движутся от поверхности горения двух зарядов навстречу друг другу. С увеличением объема выделившихся газообразных продуктов увеличивается давление и температура в сопловом блоке и происходит зажигание топлива, служащего материалом пробок 6 для герметизации сопел. К моменту сгорания пробок давление в сопловом блоке достигает рабочих значений и происходит истечение гетерогенной струи к поверхности перфорируемого материала 8. Так как давление в сопловом блоке и газовыделение продуктов сгорания определяются поверхностью горения топлива, то увеличение поверхности горения при использовании двух источников рабочего тела существенно увеличивает газоприход, а следовательно, и давление в сопловом блоке. Это, в свою очередь, приводит к интенсификации процесса перфорации согласно результатам работы (4).

При истечении продуктов сгорании топлива в сопловой блок 4 струи, содержащие абразивные частицы, непосредственно не воздействуют на стенки блока и как следствие этого не происходит осаждения конденсированных продуктов сгорания на стенки соплового блока. Следовательно, концентрация частиц в струе практически соответствует массе образующихся при горении твердого топлива конденсированных веществ, что приводит к повышению эффективности работы устройства по сравнению с прототипом, интенсифицируя процесс перфорации.

Для расширения диапазона регулирования скорости сгорания твердого топлива и газовыделения в результате горения источники рабочего тела выполнены в виде двух цилиндров (фиг.3), бронированных по торцам 3 и снабженных по оси симметрии каналами 8, диаметр которых определяется из условия

где D_k - диаметр каналов;

D_T - диаметр источников рабочего тела.

Отработка предлагаемого устройства проведена на стенде, моделирующем обсадную колонну, при атмосферном давлении.

Критерием эффективности работы устройства служила глубина

отверстий, образованных при воздействии гетерогенной струи продуктов сгорания на стальные пластины, помещенные на расстоянии 10-15×10^-3 м от среза сопла.

В экспериментах в качестве моделей фрагмента обсадных труб использовались стальные пластины (Сталь 3) размером 130×45×80 мм. Результаты измерений приведены в таблице.

Таблица Эффективность работы устройств
Устройство	Объем отверстий, см 3
	1	2	3
Прототип	1,2	(0,1-0,2)	-
Предлагаемое устройство	1,8	0,4	0,2

Таким образом эффективность предлагаемого устройства повышается на 100% по сравнению с прототипом.

Устройство позволяет проводить перфорацию со скоростью, превышающей в 2-3 раза скорость перфорации по прототипу.

Источники информации

1. Патент РФ 2057910 от 09.09.93, Устройство для перфорации скважин.

2. Патент РФ 2042483 от 06.10.93, Устройство для газовой резки твердых материалов.

3. Абалтусов В.Е., Алексеенко Н.Н., Немова Т.Н., Шандаков В.А. Экспериментальное исследование теплоэрозионного разрушения материалов при взаимодействии с высокотемпературными гетерогенными струями, Труды I Российской национальной конференции по теплообмену, т.7, Mосква, 1994, с.13-18.

4. Абалтусов В.Е., Кузнецов Г.В., Немова Т.Н. Высокотемпературное разрушение материалов при взаимодействии с гетерогенной струей. Труды Второй национальной конференции по теплообмену, Москва, 1998, т.6, с.229-232.

5. Соркин Р.Е. Теория внутрикамерных процессов в ракетных системах на твердом топливе, М., Наука, 1983, с.288.